KR102017553B1 - Mold steel for long life cycle die casting having high hardenability and superior nitriding property - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a hot-work mold steel comprising: 0.37 to 0.46 wt% of carbon (C), 0.25 to 0.5 wt% of silicon (Si), 0.36 to 0.56 wt% of manganese (Mn), 2.0 to 5.0 wt% of chromium (Cr), 1.4 to 2.6 wt% of molybdenum (Mo), 0.4 to 0.8 wt% of vanadium (V), 0.0007 to 0.004 wt% of boron (B), 0.002 to 0.022 wt% of aluminum (Al), 0.001 to 0.09 wt% of titanium (Ti), and the remainder of iron (Fe) and inevitable impurities, and a manufacturing method therefor. The hot-work mold steel exhibits excellent thermal conductivity, hardenability, durability, and nitriding properties, thereby increasing resistance to heat check and melt-out. When a die-casting mold is manufactured by using such a hot-work mold steel, the die-casting mold has improved thermal conductivity regardless of mold size. Further, the life of the mold is extended, and parts manufactured by using the mold can have improved surface quality.

Description

경화능과 질화특성이 뛰어난 장수명 다이캐스팅용 열간 금형강 및 그 제조방법{Mold steel for long life cycle die casting having high hardenability and superior nitriding property}Hot die steel for long life die casting with excellent hardenability and nitriding properties and its manufacturing method {Mold steel for long life cycle die casting having high hardenability and superior nitriding property}

본 발명은 경화능과 질화특성이 뛰어난 장수명 다이캐스팅(die-casting)용 열간 금형강 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 자동차 부품 등을 생산할 때 적용될 수 있는 경화능과 질화특성이 뛰어난 열간 금형강 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a hot die steel for die-casting and a method of manufacturing the same, which are excellent in hardenability and nitriding properties, and more particularly, hot hardening and nitriding properties that can be applied when producing automobile parts. The present invention relates to a mold steel and a method of manufacturing the same.

열간 금형강은 합금 원소로서 철 외에 탄소, 크롬, 규소, 니켈, 몰리브덴, 망간, 바나듐 및 코발트 등을 포함하며, 이러한 합금 원소들을 포함함으로써 고온에서도 우수한 기계적 성질을 가지므로, 높은 가공 온도에서 특별한 기계적 강도 특성이 요구되는 압출 다이, 단조 금형 및 다이캐스팅 금형 제조에 사용된다.Hot die steels include carbon, chromium, silicon, nickel, molybdenum, manganese, vanadium and cobalt in addition to iron as alloying elements, and have excellent mechanical properties even at high temperatures by including these alloying elements, and thus have excellent mechanical properties at high processing temperatures. It is used in the manufacture of extrusion dies, forging dies and die casting molds where strength properties are required.

열간 금형강과 이를 이용하여 제조된 강 대상물, 예를 들어, 다이캐스팅 다이와 같은 금형은 기술적 프로세스에 도입되었을 때, 성형품이 균일한 품질을 갖도록 금형의 전체 표면이 균일한 온도를 가져야 하고, 이후에는 발생된 열을 충분히 방출해야 하므로 높은 열전도율이 요구되며, 이에 더하여 높은 내열마모성 요구된다. Hot die steels and steel objects produced using them, for example dies such as die casting dies, when introduced into the technical process, must have a uniform temperature on the entire surface of the mold so that the molded parts have a uniform quality. High heat conductivity is required because the heat must be released sufficiently, and in addition, high heat resistance is required.

또한, 열간 금형강의 히트체크 및 용손에 대한 저항성은 열간 금형의 수명에 직접적으로 연관이 되기 때문에 이러한 특성들을 극대화 하기 위해 질화를 포함한 표면처리가 수행된다. 질화를 통한 금형 표면의 질소 투입 깊이 및 질소화합물 형성층의 생성 정도는 금형을 구성하는 화학 조성에 직접적으로 연관이 되기 때문에, 질화에 의한 히트체크 및 용손 저항성 또한 화학 조성에 직접적으로 영향을 받는다.In addition, since the resistance to heat check and melting loss of the hot die steel is directly related to the life of the hot die, surface treatment including nitriding is performed to maximize these characteristics. Nitrogen injection depth on the mold surface and the degree of formation of the nitrogenous compound formation layer through nitriding are directly related to the chemical composition constituting the mold, so that the heat check and dissolution resistance due to nitriding are also directly affected by the chemical composition.

상술한 것 외의 중요한 열간 금형강의 특성으로는 경화능이 있는데, 경화능이 높을수록 동일한 열처리 조건에서 더 넓은 범위에 걸쳐 더 균질하고 강인한 조직을 얻을 수 있으며, 이는 비교적 크기가 큰 금형에서도 동일하게 적용되기 때문에 열간 금형강이 높은 경화능을 가지는 경우 더 강인한 금형의 제조가 가능하며, 또한 다양한 크기를 갖는 금형을 제조할 수 있다.Important properties of hot die steel other than those mentioned above include the hardenability. The higher the hardenability, the more homogeneous and tougher structure can be obtained over the wider range under the same heat treatment conditions. When the hot mold steel has a high hardenability, it is possible to manufacture a stronger mold, and also to manufacture a mold having various sizes.

최근 자동차 산업의 친환경·고연비 추세로 인한 경량 비철 금속의 사용 비중이 증가하고 있으며, 이를 성형하기 위한 다이캐스팅용 열간 금형강의 수요가 늘고 있으나, 국내에서 사용되는 다이캐스팅용 열간 금형강 시장은 히타치 사와 같은 해외 선진 기업들이 점유하고 있어 다이캐스팅용 열간 금형강의 국산화가 시급하며, 기존의 기술로는 장수명 다이캐스팅용 열간 금형강에 충분한 경화능 및 질화특성을 부여하기 어려운 문제가 있어, 이러한 문제를 개선한 열간 금형강의 개발이 요구되고 있다.Recently, the share of lightweight non-ferrous metals is increasing due to the trend of eco-friendly and high fuel consumption in the automotive industry, and the demand for hot die steel for die casting to form them is increasing, but the domestic hot die steel market for die casting used in the domestic market, such as Hitachi, It is urgent to localize hot die steel for die casting as it is occupied by advanced companies, and it is difficult to give sufficient hardenability and nitriding properties to long die steel for long life die casting with existing technology. Development is required.

등록특허 제 10-0834535호(2008.05.27등록)Registered Patent No. 10-0834535 (2008.05.27 registration)

본 발명은 열간 금형강을 이루는 성분의 조성과 그 제조 조건을 최적화함으로써, 경화능과 질화특성이 뛰어난 장수명의 다이 캐스팅을 제조할 수 있는 열간 금형강을 제공하고자 한다.The present invention is to provide a hot die steel that can produce a long life die casting excellent in hardenability and nitriding properties by optimizing the composition of the components forming the hot die steel and its manufacturing conditions.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 형태는, 전체 중량에 대하여, 탄소(C) 0.37 ~ 0.46 중량%, 규소(Si) 0.25 ~ 0.5 중량%, 망간(Mn) 0.36 ~ 0.56 중량%, 크롬(Cr) 2.0 ~ 5.0 중량%, 몰리브덴(Mo) 1.4 ~ 2.6 중량%, 바나듐(V) 0.4 ~ 0.8 중량%, 붕소(B) 0.0007 ~ 0.004 중량%, 알루미늄(Al) 0.002 ~ 0.022 중량%, 티타늄(Ti) 0.001 ~ 0.09 중량% 및 철(Fe)과 불가피한 불순물을 포함하고, 포함된 각 원소의 중량%값이 하기 수식 (1)과 (2)를 모두 만족하는 것을 특징으로 하는 열간 금형강에 관한 것이다.One embodiment of the present invention for achieving the above object is 0.37 to 0.46% by weight of carbon (C), 0.25 to 0.5% by weight of silicon (Si), 0.36 to 0.56 weight of manganese (Mn) %, Chromium (Cr) 2.0 to 5.0 wt%, Molybdenum (Mo) 1.4 to 2.6 wt%, Vanadium (V) 0.4 to 0.8 wt%, Boron (B) 0.0007 to 0.004 wt%, Aluminum (Al) 0.002 to 0.022 wt% %, 0.001 to 0.09% by weight of titanium (Ti) and iron (Fe) and inevitable impurities, wherein the weight% value of each element contained is characterized in that both satisfy the following formula (1) and (2) It relates to mold steel.

Figure 112018031007239-pat00001
Figure 112018031007239-pat00001

Figure 112018031007239-pat00002
Figure 112018031007239-pat00002

상기 열간 금형강은 텅스텐(W) 0.001 ~ 0.007 중량%를 추가로 더 포함할 수 있고, 니오븀(Nb) 0.001 ~ 0.025 중량%를 추가로 더 포함할 수 있으며, 코발트(Co) 0.005 ~ 0.022 중량%를 추가로 더 포함할 수 있다.The hot mold steel may further include 0.001 to 0.007 wt% of tungsten (W), and may further include 0.001 to 0.025 wt% of niobium (Nb), and cobalt (Co) 0.005 to 0.022 wt%. It may further include a.

또한, 상기 열간 금형강은 담금질과 뜨임 단계를 거쳐 얻어진 다이캐스팅(die-casting)용 금형강일 수 있으며, 상기 담금질 단계는 1000 ~ 1040℃의 온도 범위에서 수행되고, 상기 뜨임 단계는 520 ~ 640℃의 온도 범위에서 수행될 수 있다.In addition, the hot die steel may be a die-casting die steel (die-casting) obtained through the quenching and tempering step, the quenching step is carried out in a temperature range of 1000 ~ 1040 ℃, the tempering step of 520 ~ 640 ℃ It can be carried out in a temperature range.

한편 본 발명의 다른 실시 형태는, 전체 중량에 대하여, 탄소(C) 0.37 ~ 0.46 중량%, 규소(Si) 0.25 ~ 0.5 중량%, 망간(Mn) 0.36 ~ 0.56 중량%, 크롬(Cr) 2.0 ~ 5.0 중량%, 몰리브덴(Mo) 1.4 ~ 2.6 중량%, 바나듐(V) 0.4 ~ 0.8 중량%, 붕소(B) 0.0007 ~ 0.004 중량%, 알루미늄(Al) 0.002 ~ 0.022 중량%, 티타늄(Ti) 0.001 ~ 0.09 중량%, 나머지는 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는, 열간 금형강괴를 열처리하는 단조 단계; 상기 단조 단계에서 제조된 금형 소재를 가열한 뒤 냉각하는 담금질(quenching) 단계; 및 상기 담금질 단계에서 담금질 된 금형 소재를 520 ~ 640℃의 온도 범위에서 열처리하는 뜨임(tempering)단계;를 포함하고, 포함된 각 원소의 중량%값이 하기 수식 (1)과 (2)를 모두 만족하는 열간 금형강의 제조방법에 관한 것이다.Meanwhile, another embodiment of the present invention is 0.37 to 0.46% by weight of carbon (C), 0.25 to 0.5% by weight of silicon (Si), 0.36 to 0.56% by weight of manganese (Mn), and chromium (Cr) 2.0 to 5.0 wt%, molybdenum (Mo) 1.4-2.6 wt%, vanadium (V) 0.4-0.8 wt%, boron (B) 0.0007-0.004 wt%, aluminum (Al) 0.002-0.022 wt%, titanium (Ti) 0.001- A forging step of heat-treating the hot die ingot, which comprises 0.09% by weight, the remainder including iron (Fe) and unavoidable impurities; Quenching step of heating and then cooling the mold material produced in the forging step; And a tempering step of heat-treating the mold material quenched in the quenching step at a temperature range of 520 to 640 ° C., wherein the weight% value of each element included includes all of the following Equations (1) and (2): It relates to a method for producing a hot die steel to be satisfied.

Figure 112018031007239-pat00003
Figure 112018031007239-pat00003

Figure 112018031007239-pat00004
Figure 112018031007239-pat00004

이때 상기 단조 단계의 열처리는 850 ~ 1300℃의 온도 범위에서 수행며, 4.5S 이상의 단조비로 수행되는 것이 바람직하다.At this time, the heat treatment of the forging step is carried out at a temperature range of 850 ~ 1300 ℃, it is preferable that the forging ratio of 4.5S or more.

또한, 상기 단조 단계와 상기 담금질 단계 사이에 구상화 열처리 단계;가 더 포함될 수 있으며, 상기 구상화 열처리 단계는 840 ~ 900℃의 온도 범위에서 수행되는 것이 바람직하다.In addition, a spheroidization heat treatment step may be further included between the forging step and the quenching step. The spheroidization heat treatment step may be performed at a temperature range of 840 to 900 ° C.

상기 담금질 단계의 가열 공정은 1000 ~ 1040℃의 온도 범위에서 수행될 수 있으며, 냉각 공정은 0.2 ~ 3.0℃/s의 냉각 속도로 수행될 수 있고, 이러한 냉각 공정을 통해 80 ~ 100℃의 온도 범위까지 냉각시키는 것이 바람직하다.The heating process of the quenching step may be carried out at a temperature range of 1000 ~ 1040 ℃, the cooling process may be performed at a cooling rate of 0.2 ~ 3.0 ℃ / s, through this cooling process temperature range of 80 ~ 100 ℃ It is preferable to cool to.

상기 뜨임 단계는, 담금질 된 금형 소재를 540 ~ 630℃의 온도 범위에서 2시간 ~ 6시간 동안 열처리하는 1차 뜨임 단계; 및 상기 금형 소재를 540 ~ 620℃의 온도 범위에서 2시간 ~ 6시간 동안 열처리하는 2차 뜨임 단계;가 포함될 수 있다. 또한, 상기 2차 뜨임 단계를 통해 얻어진 열간 금형강을 540 내지 610℃의 온도 범위에서 2시간 내지 6시간 동안 열처리하는 3차 뜨임 단계;가 추가로 더 포함될 수 있다. The tempering step, the first tempering step of heat-treating the quenched mold material for 2 hours to 6 hours at a temperature range of 540 ~ 630 ℃; And a second tempering step of heat treating the mold material for 2 hours to 6 hours in a temperature range of 540 to 620 ° C. In addition, the third tempering step of heat-treating the hot mold steel obtained through the second tempering step for 2 hours to 6 hours at a temperature range of 540 to 610 ℃; may be further included.

상기 뜨임 단계 이후에 질화 열처리 단계가 추가로 더 수행될 수 있으며, 상기 질화 열처리 단계는 순질화법, 가스질화법, 연질화법, 이온질화법 및 침류질화법 중 어느 하나의 방법으로 수행될 수 있다.The nitriding heat treatment step may be further performed after the tempering step, and the nitriding heat treatment step may be performed by any one of a pure nitriding method, a gas nitriding method, a soft nitriding method, an ion nitriding method, and a immersion nitriding method.

상기 열간 금형강괴는 텅스텐(W) 0.001 ~ 0.007 중량%를 추가로 더 포함할 수 있으며, 니오븀(Nb) 0.001 ~ 0.025 중량%를 추가로 더 포함할 수 있고, 코발트(Co) 0.005 ~ 0.022 중량%를 추가로 더 포함할 수도 있다.The hot mold ingot may further comprise 0.001 to 0.007% by weight of tungsten (W), and may further include 0.001 to 0.025% by weight of niobium (Nb), and cobalt (Co) 0.005 to 0.022% by weight. It may further include a.

본 발명의 열간 금형강은 경화능, 내구성 및 질화특성이 뛰어나 히트체크 및 용손에 대한 저항성이 우수하므로, 소형에서부터 대형까지 아우르는 다양한 크기의 금형을 제작할 수 있을 뿐만 아니라, 금형의 수명이 월등히 향상될 수 있다.Since the hot die steel of the present invention has excellent hardenability, durability, and nitriding properties, and excellent resistance to heat check and melting loss, it is possible to manufacture molds of various sizes ranging from small to large, and also greatly improve the life of the mold. Can be.

또한, 본 발명에서 제공하는 열간 금형강은 고온에서의 열전도도가 높아, 이를 이용하여 제조된 부품의 표면 품질이 향상될 수 있다.In addition, the hot mold steel provided by the present invention has a high thermal conductivity at high temperature, so that the surface quality of the parts manufactured using the same may be improved.

도 1은 담금질 단계의 냉각 공정시 질소 압력에 따른 냉각 속도와 열간 금형강의 두께의 관계를 나타내는 그래프로, a는 중심부의 냉각속도, b는 표면부의 냉각속도를 나타낸다.
도 2는 탄소와 붕소의 함량에 따른 수식 (1)로 표현된 열전도도를 나타낸 그래프이다.
도 3은 탄소와 붕소의 함량에 따른 수식 (2)로 표현된 임계 냉각속도를 나타낸 그래프이다.
도 4는 실험예 2의 연속 냉각 변태 선도를 나타낸 그래프이다.
도 5는 실험예 4의 담금질 온도에 따른 Debye ring을 X선 회절기를 이용하여 측정한 결과를 나타낸 사진이다.
도 6은 실험예 4의 담금질 온도에 따른 조직 변화를 나타낸 광학 사진이다.
도 7은 실험예 4의 담금질 온도에 따른 경도 변화를 측정하고 그 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 실험예 5의 뜨임 온도에 따른 경도 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 실험예 6의 뜨임 시간에 따른 경도 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 실험예 7의 질화 후 금형강의 표면으로부터의 거리에 따른 경도를 나타낸 그래프이다.
도 11은 실험예 8의 열전도도에 따른 히트체크 결과를 나타낸 그래프이다.
도 12는 실험예 9의 용손 시험 결과를 나타낸 사진이다.
도 13은 실험예 9의 몰리브덴 함량에 따른 용손깊이를 나타낸 그래프이다.
1 is a graph showing the relationship between the cooling rate according to the nitrogen pressure and the thickness of the hot mold steel during the cooling step of the quenching step, a represents the cooling rate of the center portion, b represents the cooling rate of the surface portion.
2 is a graph showing the thermal conductivity represented by the formula (1) according to the content of carbon and boron.
3 is a graph showing the critical cooling rate expressed by the formula (2) according to the content of carbon and boron.
4 is a graph showing a continuous cooling transformation diagram of Experimental Example 2. FIG.
5 is a photograph showing a result of measuring a Debye ring according to the quenching temperature of Experimental Example 4 using an X-ray diffractometer.
6 is an optical picture showing a change in the structure according to the quenching temperature of Experimental Example 4.
Figure 7 is a graph showing the results of measuring the hardness change according to the quenching temperature of Experimental Example 4.
8 is a graph showing the results of measuring the hardness change according to the tempering temperature of Experimental Example 5.
9 is a graph showing the results of measuring the change in hardness according to the tempering time of Experimental Example 6.
10 is a graph showing the hardness according to the distance from the surface of the mold steel after nitriding of Experimental Example 7.
11 is a graph showing a heat check result according to the thermal conductivity of Experimental Example 8.
12 is a photograph showing the melting loss test result of Experimental Example 9. FIG.
13 is a graph showing the depth of melting according to the molybdenum content of Experimental Example 9.

이하, 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. However, embodiments of the present invention may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. In addition, the embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art.

본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout this specification, when a part is said to "include" a certain component, it means that it can further include other components, without excluding other components unless otherwise stated.

또한, 본 명세서에서, 질량으로 정의된 모든 퍼센티지는 중량으로 정의된 것과 각각 같다.In addition, in this specification, all percentages defined by mass are the same as those defined by weight, respectively.

본 발명의 일 실시예에 따른 열간 금형강은, 필수 원소로서 탄소(C), 규소(Si), 망간(Mn), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 붕소(B), 알루미늄(Al) 및 티타늄(Ti)을 포함하고, 나머지는 철(Fe), 미세원소 및 불가피한 불순물로 이루어진다.Hot die steel according to an embodiment of the present invention, carbon (C), silicon (Si), manganese (Mn), chromium (Cr), molybdenum (Mo), vanadium (V), boron (B) as an essential element , Aluminum (Al) and titanium (Ti), the remainder is composed of iron (Fe), microelements and inevitable impurities.

구체적으로 전체 중량에 대하여, 탄소(C) 0.37 ~ 0.46 중량%, 규소(Si) 0.25 ~ 0.5 중량%, 망간(Mn) 0.36 ~ 0.56 중량%, 크롬(Cr) 2.0 ~ 5.0 중량%, 몰리브덴(Mo) 1.4 ~ 2.6 중량%, 바나듐(V) 0.4 ~ 0.8 중량%, 붕소(B) 0.0007 ~ 0.004 중량%, 알루미늄(Al) 0.002 ~ 0.022 중량%, 티타늄(Ti) 0.001 ~ 0.09 중량%, 나머지는 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하고, 상기 열간 금형강을 이루는 각 원소의 함량값을, 하기 수식 (1)에 대입하는 경우, 그 값이 30.5 이상이며, 하기 수식 (2)에 대입하는 경우, 그 값이 0.35 이하를 만족한다.Specifically, 0.37 to 0.46% by weight of carbon (C), 0.25 to 0.5% by weight of silicon (Si), 0.36 to 0.56% by weight of manganese (Mn), 2.0 to 5.0% by weight of chromium (Cr), and molybdenum (Mo) ) 1.4 ~ 2.6 wt%, Vanadium (V) 0.4 ~ 0.8 wt%, Boron (B) 0.0007 ~ 0.004 wt%, Aluminum (Al) 0.002 ~ 0.022 wt%, Titanium (Ti) 0.001 ~ 0.09 wt%, the rest is iron When the content value of each element comprising (Fe) and unavoidable impurities and forming the hot die steel is substituted into the following formula (1), the value is 30.5 or more, and substituted into the following formula (2), The value satisfies 0.35 or less.

Figure 112018031007239-pat00005
Figure 112018031007239-pat00005

Figure 112018031007239-pat00006
Figure 112018031007239-pat00006

상기 열간 금형강은 텅스텐(W) 0.001 ~ 0.007 중량%를 더 포함할 수 있고, 니오븀(Nb) 0.001 ~ 0.025 중량%를 더 포함할 수 있으며, 코발트(Co) 0.005 ~ 0.022 중량%를 더 포함할 수도 있다. 또한, 상기 불가피한 불순물은 인(P), 황(S), 질소(N) 및 산소(O)를 포함할 수 있으며 이 외의 다른 물질도 포함할 수 있다.The hot mold steel may further include 0.001 to 0.007 wt% of tungsten (W), may further include 0.001 to 0.025 wt% of niobium (Nb), and may further include 0.005 to 0.022 wt% of cobalt (Co). It may be. In addition, the inevitable impurities may include phosphorus (P), sulfur (S), nitrogen (N) and oxygen (O), and may also include other materials.

이하, 상기 열간 금형강을 이루는 성분 및 그 조성범위를 상기와 같이 제한한 이유에 대해서 설명한다. Hereinafter, the reason for limiting the components constituting the hot die steel and its composition range as described above will be described.

탄소(C)Carbon (C)

탄소는 강의 강도를 조절하는데 필요한 필수 원소로서, 본 합금 계에서는 합금 탄화물을 형성하여 결정립 미세화에 영향을 주고, 2차 경화를 통해 고온 항복강도와 같은 내구성에 영향을 미치며, 특히, 담금질 단계에서 열처리시 합금의 경화능을 효과적으로 향상시키는 원소 중 하나이다. Carbon is an essential element necessary to control the strength of steel.In this alloy system, alloy carbide forms alloy carbides, which affects grain refinement, and secondary hardening affects durability, such as high temperature yield strength, in particular, heat treatment in the quenching stage. It is one of the elements that effectively improves the hardenability of the alloy.

상기 탄소의 함량이 0.37 중량% 미만인 경우, 경도 및 강도가 낮아지고 경화능이 저하되어 균일한 단면 경도를 얻을 수 없고, 0.46 중량%를 초과하는 경우, 정출 탄화물을 형성하여 피로 강도 및 충격값을 악화시킬 뿐만 아니라, 마르텐사이트 변태 온도가 상당히 저하되어 담금질 단계에서의 열처리 후에 잔류 오스테나이트의 양이 증가되고, 이는 최종 열처리를 거친 강의 치수 변화 및 인성을 저하시킬 수 있다.If the carbon content is less than 0.37% by weight, the hardness and strength is lowered, the hardenability is lowered to obtain a uniform cross-sectional hardness, and when the carbon content exceeds 0.46% by weight, crystallized carbides are formed to worsen the fatigue strength and the impact value. In addition to this, the martensite transformation temperature is significantly lowered to increase the amount of residual austenite after the heat treatment in the quenching step, which may lower the dimensional change and toughness of the steel after the final heat treatment.

따라서, 열간 금형강에 우수한 경도, 강도를 부여하면서 다른 물성의 저하를 야기하지 않기 위해 본 발명의 열간 금형강은 0.37 ~ 0.46 중량%의 탄소를 포함하는 것이 바람직하다. Therefore, it is preferable that the hot die steel of the present invention contains 0.37 to 0.46% by weight of carbon in order to impart excellent hardness and strength to the hot die steel while not causing other physical property deterioration.

규소(silicon( SiSi ))

규소는 본 합금 계에서 담금질 단계에서의 열처리를 통해 생성된 잔류 오스테나이트가 뜨임 단계에서의 열처리시 침상의 세멘타이트로 분해되는 것을 억제하는 원소로, 침상의 세멘타이트는 다이캐스팅 공정에서 발생되는 히트체크에 대한 저항성을 급격히 떨어뜨릴 수 있기 때문에 금형강에 규소를 적정량 포함시킴으로써 강의 인성을 향상시켜 히트체크 저항성을 향상시킬 수 있다.Silicon is an element that suppresses the decomposition of residual austenite produced by heat treatment in the quenching step into needle-like cementite during heat treatment in the tempering step. In this alloy system, needle-like cementite is a heat check generated in the die casting process. Since the resistance to the metal can be drastically reduced, by including the silicon in the mold steel in an appropriate amount, the toughness of the steel can be improved and the heat check resistance can be improved.

또한 규소는 경화능 향상에 기여하나 열전도도를 저하시킬 수 있기 때문에 열전도도에 큰 영향을 미치지 않는 범위 내에서 사용되는 것이 바람직한데, 전체 중량에 대하여, 규소의 함량이 0.25 중량% 미만이면 히트체크에 대한 저항성 향상 효과가 미미하고, 규소의 함량이 0.5 중량%를 초과하면 열전도도가 저하되므로, 본 발명의 열간 금형강은 규소를 0.25 ~ 0.5 중량%로 포함하는 것이 바람직하다. In addition, since silicon contributes to the improvement of hardenability but may lower the thermal conductivity, it is preferable to be used within a range that does not significantly affect the thermal conductivity. When the silicon content is less than 0.25% by weight, the heat check is performed. Since the effect of improving the resistance against is negligible and the silicon content exceeds 0.5% by weight, the thermal conductivity is lowered. Therefore, the hot die steel of the present invention preferably contains 0.25 to 0.5% by weight of silicon.

망간(Mn)Manganese (Mn)

망간은 경화능을 향상시키고 고용(solid solution) 강화를 일으키는 원소로, 전체 중량에 대하여, 망간의 함량이 0.36 중량% 미만이면 경화능 향상 및 고용 강화 효과를 얻기 어렵고, 망간의 함량이 0.56 중량%를 초과하면 열전도도가 상당히 감소되므로, 망간의 효능을 확보하면서도 열전도도의 저하를 방지하기 위해 전체 중량부에 대하여 0.36 ~ 0.56 중량%로 첨가하는 것이 바람직하다. Manganese is an element that improves hardenability and causes solid solution reinforcement. If the content of manganese is less than 0.36% by weight, it is difficult to obtain hardening effect and solid solution strengthening effect, and the content of manganese is 0.56% by weight. Since the thermal conductivity is significantly reduced when it is exceeded, it is preferable to add 0.36 to 0.56% by weight based on the total weight parts in order to secure the efficacy of manganese while preventing the decrease in thermal conductivity.

크롬(chrome( CrCr ))

크롬은 경화능을 향상시킬 뿐만 아니라, 복합 탄화물을 생성함으로써 경도, 강도 및 뜨임 단계에서의 연화 저항성과 내마모성을 향상시키며, 질화 단계에서 질소 화합물을 형성하여 표면 경도를 향상시키는 역할을 하는 원소로, 크롬의 함량은 전체 중량에 대하여 2.0 ~ 5.0 중량%인 것이 바람직하며, 상기 중량 범위 미만으로 포함되는 경우 경화능 향상 효과를 기대하기 어렵고, 상기 중량 범위를 초과하여 포함되는 경우 열전도도의 감소 문제가 발생하므로, 상기 중량 범위 내에서 포함되는 것이 바람직하다. Chromium not only improves hardenability, but also produces complex carbides to improve hardness, strength and softening resistance and wear resistance in the tempering step, and forms a nitrogen compound in the nitriding step to improve surface hardness. The content of chromium is preferably 2.0 to 5.0% by weight based on the total weight, it is difficult to expect the effect of improving the hardenability when included in less than the weight range, the problem of reducing the thermal conductivity when included in excess of the weight range Since it occurs, it is preferable to be included within the above weight range.

몰리브덴(molybdenum( MoMo ))

몰리브덴은 몰리브덴 카바이드와 같은 탄화물을 형성하여 고온 경도와 강도를 증가시키고, 뜨임시 고온에서 2차 경화 현상을 일으킴으로써 고온 강도를 향상시킬 뿐만 아니라, 입계에 존재하는 인(P)과 결합하여 뜨임 열처리시 인으로 의한 뜨임 취성을 방지하면서도 열전도도에 영향을 주지 않는 원소이므로, 전체 중량에 대하여 1.2 중량% 이상 포함되는 것이 바람직하다.Molybdenum forms carbides such as molybdenum carbides to increase high temperature hardness and strength, and improves high temperature strength by causing secondary curing at high temperatures during tempering, as well as bonding with phosphorus (P) present at grain boundaries. Since it is an element which prevents temper brittleness due to the poet and does not affect the thermal conductivity, it is preferable that 1.2 wt% or more of the total weight is included.

더욱 바람직하게는 1.4 ~ 2.6 중량%로 포함되는 것이 바람직한데, 몰리브덴의 함량이 1.4 중량% 미만이면 인으로 인한 뜨임 취성 억제력이 감소하고, 2차 경화가 충분히 일어나지 않아 고온에서의 경도 및 강도가 감소하는 문제가 있으며, 몰리브덴의 함량이 2.6 중량%를 초과하는 경우 몰리브덴에 의한 강도 향상 및 뜨임 취성 억제 효과가 감소될 수 있기 때문이다.More preferably, the molybdenum content is less than 1.4 wt%, and the temper embrittlement suppression force due to phosphorus is reduced, and the secondary hardening does not occur sufficiently to reduce hardness and strength at high temperature. This is because when the content of molybdenum exceeds 2.6% by weight, the effect of improving strength and inhibiting temper brittleness by molybdenum may be reduced.

텅스텐(W)Tungsten (W)

텅스텐은 열간 금형강의 강도를 증가시키기 위해 선택적으로 첨가될 수 있는 원소로, 탄화물의 석출 경화를 유도함으로써 열간 금형강의 강도를 증가시키며, 몰리브덴과 마찬가지로 2차 경화의 효과를 제공할 수 있다. Tungsten is an element that can be selectively added to increase the strength of the hot die steel, which increases the strength of the hot die steel by inducing precipitation hardening of carbides and, like molybdenum, can provide the effect of secondary hardening.

텅스텐은 전체 중량에 대하여 0.001 ~ 0.007 중량%로 포함될 수 있으며, 상기 중량 범위 미만으로 포함되는 경우 금형강의 강도 향상 효과가 미미하며, 상기 중량 범위를 초과하여 포함되는 경우 금형강의 열전도도를 저하시킬 수 있기 때문에 상기 중량 범위 내에서 포함되는 것이 바람직하다. Tungsten may be included in an amount of 0.001 to 0.007% by weight based on the total weight, and when included in the amount below the weight range, the effect of improving the strength of the mold steel is insignificant, and when included in the weight range, the tungsten may decrease the thermal conductivity of the mold steel. It is preferable to be included within the above weight range because there is.

티타늄(titanium( TiTi ))

티타늄은 오스테나이트에서의 용해도가 낮아 강한 석출상이 생성될 수 있으며, 본 합금계에서는 조직 미세화 효과를 부여하는 효과가 있으나, 티타늄의 강한 탄소와의 결합력으로 인해 오스테나이트 기지 내의 탄소 함량을 감소시켜 열간 금형강의 경화능을 저하시키는 부작용이 있고, 경화능 저하의 정도는 바나듐 보다 강하므로, 충분한 조직 미세화 효과를 나타내면서도 경화능을 크게 저하시키지 않는 정도로 포함되는 것이 바람직하다. 구체적으로 상기 티타늄은 전체 중량부에 대하여 0.001 ~ 0.09 중량%이므로 포함될 때 상기한 효과를 얻으면서도 부작용을 최소화시킬 수 있다.Titanium has a low solubility in austenite, so that a strong precipitated phase may be produced. In this alloy system, titanium has an effect of imparting a structure refining effect, but due to the bonding strength of titanium with carbon, the carbon content in the austenite matrix is reduced and hot. Since there is a side effect of lowering the hardenability of the mold steel, and the degree of hardenability is lower than vanadium, it is preferable to be included to such an extent that the hardenability is not significantly reduced while showing sufficient structure refining effect. Specifically, since titanium is 0.001% to 0.09% by weight based on the total parts by weight, it is possible to minimize the side effects while obtaining the above effects when included.

바나듐(V)Vanadium (V)

바나듐은 철에 치환 고용되어 인장강도를 증가시키고, 불용성 탄화물을 만들어 고온 경도를 높이며, 뜨임 취성 저항성을 증대시키는 원소로서, 특히 고온에서 안정한 석출상을 미세하게 생성하여 오스테나이트 입자 성장을 억제하는 효과를 갖는다. 바나듐은 티타늄 및 니오븀과 더불어 강한 합금 탄화물을 형성하여 결정립 미세화를 시켜 주나, 티타늄과 니오븀에 비해 탄소와의 결합력이 약해 정출될 가능성이 적으며, 오스테나이트 기지의 탄소 함량 저하를 덜 유발하므로 이들에 비해 상대적으로 열전도도 및 경화능 저하에 미치는 영향이 미미하다.Vanadium is an element that substitutes and solidifies with iron to increase tensile strength, make insoluble carbides, increase high temperature hardness, and increase temper brittle resistance, and in particular, produces a fine precipitated phase at high temperature to inhibit austenite grain growth. Has Vanadium, together with titanium and niobium, forms strong alloy carbides to refine grains, but it is less likely to be crystallized due to weaker bonding strength with carbon than titanium and niobium, and causes less carbon content in the austenitic matrix. In comparison, the influence on the thermal conductivity and the hardenability decrease is relatively small.

바나듐의 함량이 열간 금형강 전체 중량에 대하여 0.4 중량% 미만이면 결정립 미세화 효과를 충분히 얻기 어렵고, 0.8 중량%를 초과하면 정출 탄화물이 형성될 수 있기 때문에 전체 중량에 대하여 0.4 ~ 0.8 중량%로 포함되는 것이 바람직하다. If the content of vanadium is less than 0.4% by weight relative to the total weight of the hot die steel, it is difficult to sufficiently obtain a grain refining effect, and if it exceeds 0.8% by weight, crystallized carbides may be formed. It is preferable.

니오븀 (Niobium ( NbNb ) )

니오븀은 티타늄과 마찬가지로 오스테나이트에서의 용해도가 낮아 강한 석출상을 생성하며, 조직 미세화 효과를 부여하는 원소이다. 또한, 탄소와의 결합력이 강하여 오스테나이트 기지내의 탄소 함량을 감소시켜 열간 금형강의 경화능을 약화시키며, 그 정도는 다른 결정립 미세화 역할을 하는 합금 원소인 바나듐보다 크다. Niobium, like titanium, has a low solubility in austenite to produce a strong precipitated phase, and is an element that gives a structure refinement effect. In addition, the bonding strength with carbon is strong to reduce the carbon content in the austenite matrix to weaken the hardenability of the hot mold steel, the degree is larger than vanadium, an alloying element that plays a role of other grain refinement.

상기 니오븀의 함량이 전체 중량에 대하여 0.001 중량% 미만인 경우 니오븀으로 인한 조직 미세화 효과를 얻기 어렵고, 0.025 중량%를 초과하는 경우 열간 금형강의 경화능을 저하시킬 수 있기 때문에 전체 중량부에 대하여 0.001 ~ 0.025 중량%로 포함되는 것이 바람직하다.When the content of niobium is less than 0.001% by weight based on the total weight, it is difficult to obtain a micronized structure due to niobium, and when it exceeds 0.025% by weight, the hardenability of the hot mold steel may be lowered, so it may be 0.001 to 0.025. It is preferably included in the weight percent.

붕소(B)Boron (B)

붕소는 극미량의 첨가로도 입계편석(Grain Boundary Segregation)에 의한 경화능을 크게 향상시킬 수 있으나, 전체 중량에 대하여 0.0007 중량% 미만으로 포함되는 경우 충분한 경화능 향상 효과를 얻기 어렵고, 0.004 중량%를 초과하여 포함되는 경우 추가로 첨가된 양에 비하여 경화능의 향상 정도가 미미하여 경제적 손실이 발생하므로, 열간 금형강 전체 중량에 대하여 0.0007 ~ 0.004 중량%로 포함되는 것이 바람직하다. Boron can greatly improve the hardenability due to grain boundary segregation even with the addition of a very small amount. However, when boron is contained in an amount less than 0.0007% by weight based on the total weight, it is difficult to obtain sufficient hardenability improvement effect, and 0.004% by weight When included in excess, since the degree of improvement in hardenability is insignificant compared to the additionally added amount, and economic loss occurs, it is preferable to include 0.0007 to 0.004% by weight based on the total weight of the hot mold steel.

코발트(Co) Cobalt (Co)

코발트는 기지에만 용해되어 탄소의 용해도를 높이며, 탄화물을 기지에 많이 고용시킬 뿐만 아니라 고용강화로 인한 기지 강화 효과를 주는 원소로, 전체 중량에 대하여 0.005 ~ 0.022 중량%로 첨가될 때 상기한 효과를 얻을 수 있으며, 상기 중량 범위를 벗어나는 조성으로 포함되는 경우 상기 효과를 얻지 못하거나, 초과량에 따른 추가적인 효과를 기대하기 어려우므로 상기 중량 범위 내에서 포함되는 것이 바람직하다.Cobalt dissolves only in the base to increase the solubility of carbon, and it is an element that not only has a large amount of carbides in the base, but also has a strengthening effect due to the strengthening of solid solution. It is effective when added to 0.005 to 0.022% by weight based on the total weight. It may be obtained, if included in the composition outside the weight range it is not possible to obtain the effect, or it is preferable to include within the weight range because it is difficult to expect additional effects according to the excess amount.

인(P)Phosphorus (P)

인은 열간 금형강의 강도 증가에 일부 기여하나, 0.007 중량%를 초과하는 경우 용접성을 악화시키는 문제가 있기 때문에 0.007중량% 이하로 포함되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.005 ~ 0.006 중량%로 포함될 수 있다. Phosphorus contributes to the increase in strength of the hot die steel in part, but if it exceeds 0.007% by weight, it is preferable to be included as 0.007% by weight or less, and more preferably 0.005 to 0.006% by weight, because there is a problem of deteriorating weldability. have.

황(S)Sulfur (S)

황은 망간과 결합하여 인성 저하를 야기하고 고온 균열을 유발하므로, 0.003 중량% 이하로 포함되는 것이 바람직하다. Since sulfur combines with manganese to cause toughness degradation and hot cracking, sulfur is preferably included at 0.003% by weight or less.

질소(N)Nitrogen (N)

질소는 제강 중에 포함되는 불순물로써, 붕소의 입계편석을 얻기 위한 경우, 붕소화 질소를 형성함으로써 열간 금형강의 물성을 저하시킬 수 있으나 고용강화 효과가 있으므로, 이러한 효과를 얻으면서도 물성 저하를 방지하기 위해서, 0.005 ~ 0.06 중량%로 포함되는 것이 바람직하다.Nitrogen is an impurity contained in steelmaking. In order to obtain grain boundary segregation of boron, nitrogen can reduce the physical properties of the hot die steel by forming boron nitrogen, but there is a solid solution effect. It is preferably included in 0.005 to 0.06% by weight.

알루미늄(Al)Aluminum (Al)

알루미늄은 붕소보다 질소와의 결합력이 강하여 상기 붕소화 질소로 인한 부작용을 상쇄하기 위해 첨가되는 원소로, 알루미늄이 0.002 ~ 0.022 중량%로 포함되는 경우 고용되어 있는 미량의 질소만을 제거하는 용도로 알루미늄이 사용될 수 있으며 상기 범위를 벗어나는 경우 금형강의 물성을 저하시킬 수 있기 때문에 상기 중량범위 내에서 첨가되는 것이 바람직하다. Aluminum is an element that is added to offset the side effects caused by nitrogen boron because it has a stronger bonding force with nitrogen than boron. When aluminum is contained in an amount of 0.002 to 0.022% by weight, aluminum is used to remove only a small amount of nitrogen dissolved. It may be used and is added within the weight range because it can lower the physical properties of the mold steel outside the above range.

본 발명의 열간 금형강은 상술한 성분들을 제외하고, 나머지는 실질적으로 철(Fe)로 이루어지며, 나머지는 실질적으로 철(Fe)로 이루어진다는 말은 본 발명의 작용 효과를 방해하지 않는 한, 불가피한 불순물을 비롯하여 다른 미량원소를 포함하는 것 또한 본 발명의 범위에 포함될 수 있다는 것을 의미한다.Except for the above-described components, the hot die steel of the present invention, the rest is substantially made of iron (Fe), and the rest is made of iron (Fe), unless the action of the effect of the present invention, Including inevitable impurities, including other trace elements also means that can be included within the scope of the present invention.

앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 열간 금형강을 이루는 탄소, 규소, 망간, 크롬, 바나듐, 붕소 및 티타늄의 함량값을, 하기 수식 (1)에 대입하는 경우, 그 값이 30.5W/mK 이상을 만족한다. 이와 같이 높은 열전도도를 갖는 열간 금형강으로 제조된 금형을 이용하여 다이캐스팅 공정이 수행될 경우, 금형 내외부의 온도차가 감소되어 금형의 히트체크에 대한 저항성이 향상됨으로써 금형의 수명이 연장될 수 있으며, 이러한 금형으로 제조된 제품의 표면 품질이 향상될 수 있다.As described above, when the content values of carbon, silicon, manganese, chromium, vanadium, boron and titanium constituting the hot die steel of the present invention are substituted into the following formula (1), the value is 30.5 W / mK or more. Satisfies. When the die casting process is performed using a mold made of hot mold steel having high thermal conductivity, the temperature difference between the inside and outside of the mold is reduced, thereby improving the resistance to the heat check of the mold, thereby extending the life of the mold. The surface quality of the product manufactured by such a mold can be improved.

Figure 112018031007239-pat00007
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상기 수식 (1)은 실험 계획법 중 Box-Behnken법을 활용하여 8개의 합금원소로 구성된 상기 합금원소 함량 범위내의 합금 161 종을 생성하고, 생성된 각각의 합금에 대해서 전산모사 소프트웨어(J-Mat Pro)를 이용하여 400℃ 에서의 열전도도를 구한 후 완전 2차식 모형으로 통계적으로 유의미한 계수들을 도출하여 만든 수식이다. 열전도도에 있어서 특히 탄소와 붕소의 영향이 큰 것으로 나타나기 때문에 본 발명은 탄소와 붕소의 함량을 상기와 같이 한정함으로써 본 발명의 열간 금형강의 열전도도를 향상시켰다. Equation (1) generates 161 alloys in the alloying element content range consisting of eight alloying elements using the Box-Behnken method in the experimental design method, and simulated software for each alloy produced (J-Mat Pro). The thermal conductivity at 400 ℃ is calculated by using) and then the statistically significant coefficients are derived from the complete quadratic model. In particular, since the influence of carbon and boron is shown to be large in thermal conductivity, the present invention improves the thermal conductivity of the hot die steel of the present invention by limiting the content of carbon and boron as described above.

이때 수식 (1)은 400℃에서의 합금의 계산된 열전도도로, 실제 실험으로 구해지는 열전도도의 값보다 약간 크게 나타나며, 400℃는 열간 금형강의 다이캐스팅 공정 중 용탕에 의해 얻어지는 대표적인 온도이기 때문에 400℃에서의 열전도도를 기준으로 한 관계식을 이용하였다.Equation (1) is the calculated thermal conductivity of the alloy at 400 ℃, slightly larger than the value of the thermal conductivity obtained in the actual experiment, 400 ℃ is 400 ℃ because it is a representative temperature obtained by the molten metal during the die casting process of hot die steel A relation based on thermal conductivity at was used.

본 발명의 열간 금형강을 이루는 원소들의 중량%값은 상기 수식 (1)을 만족하며, 수식 (1)에서 최소값을 30.5W/mK로 설정한 것은, 본 발명의 열간 금형강의 각 원소들의 중량%값을 상기 수식 (1)의 좌변에 대입하여 산출되는 값이 30.5W/mK 이상일 때, 히트크랙의 길이가 현저히 감소하기 때문으로, 이는 후술될 실험예 8에서 확인할 수 있다.The weight% value of the elements constituting the hot die steel of the present invention satisfies Equation (1), and the minimum value of 30.5 W / mK is set in Equation (1), and the weight% of each element of the hot die steel of the present invention. When the value calculated by substituting the value on the left side of Equation (1) is 30.5W / mK or more, the length of the heat crack is significantly reduced, which can be confirmed in Experimental Example 8 which will be described later.

이와 같이 높은 열전도도를 갖는 열간 금형강으로 제조된 금형은 금형의 부위별 온도의 불균일성이 완화되어 성형품의 수축이나 비틀림 등을 감소시킴으로써 균일한 품질을 갖는 성형품이 제조될 수 있을 뿐만 아니라 성형품의 품질 또한 향상시킬 수 있다. 또한, 금형 부위에 따른 온도차로 인한 히트체크 균열 발생 빈도 및 정도가 감소하여 금형의 수명을 현저히 향상시킬 수 있다.In this way, the mold made of hot mold steel having high thermal conductivity can alleviate the nonuniformity of temperature of each part of the mold to reduce the shrinkage and torsion of the molded article, thereby making a molded article having a uniform quality as well as the quality of the molded article. It can also be improved. In addition, the frequency and degree of heat check crack occurrence due to the temperature difference according to the mold part may be reduced, thereby significantly improving the life of the mold.

한편, 본 발명의 열간 금형강을 이루는 탄소, 규소, 망간, 크롬, 바나듐, 붕소, 몰리브덴 및 티타늄의 중량%값은 수식 (2)를 만족하며, 이와 같은 낮은 임계냉각속도를 갖는 열간 금형강은 우수한 경화능을 가질 수 있다.Meanwhile, the weight% values of carbon, silicon, manganese, chromium, vanadium, boron, molybdenum and titanium constituting the hot die steel of the present invention satisfy the formula (2), and the hot die steel having such a low critical cooling rate is It can have excellent hardenability.

Figure 112018031007239-pat00008
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상기 수식 (2)는 전산모사 소프트웨어(J-Mat Pro)를 이용하여 상기 수식 (1) 도출에 사용했던 동일한 합금 161종의 연속냉각선도를 도출한 후, 냉각 중 펄라이트(pearlite)변태 또는 베이나이트(bainite)변태가 발생하지 않는 최소의 냉각속도(임계냉각속도)를 구한 후, 이를 2차식 모형으로 통계적으로 유의미한 계수들을 도출하여 만든 수식이다.Equation (2) is derived from the pearlite transformation or bainite during cooling after deriving 161 continuous cooling diagrams of the same alloy used for deriving Equation (1) using computer simulation software (J-Mat Pro). This formula is designed to derive statistically significant coefficients using a quadratic model after obtaining the minimum cooling rate (critical cooling rate) without occurrence of (bainite) transformation.

임계냉각속도는 강의 경화능에 영향을 주는 값으로, 담금질 단계에서 임계냉각속도보다 빠르게 냉각시켰을 때 강의 내부까지 완전한 마르텐사이트 조직을 얻을 수 있어, 임계냉각속도가 작아질수록 주어진 냉각속도에서 완전한 마르텐사이트 조직을 만들 수 있는 제품의 크기가 커지고, 완전한 마르텐사이트 조직을 갖는 표면의 두께가 증가하므로, 임계냉각속도가 작은 것이 제품 생산에 있어서 유리하다.The critical cooling rate is a value that affects the hardenability of the steel. When cooling faster than the critical cooling rate in the quenching stage, a complete martensite structure can be obtained from the inside of the steel.As the critical cooling rate becomes smaller, the complete martensite is given at a given cooling rate. Smaller critical cooling rates are advantageous for product production because the size of the product from which the tissue can be made increases and the thickness of the surface with complete martensite tissue increases.

수식 (2)에서 확인되듯이, 임계냉각속도에 대한 탄소와 붕소의 영향이 크기 때문에, 본 발명은 탄소와 붕소의 함량을 앞서 설명한 바와 같이 한정하여, 임계냉각속도를 줄임으로써 높은 경화능을 갖는 강을 제공할 수 있다. As confirmed by Equation (2), since the influence of carbon and boron on the critical cooling rate is large, the present invention is limited to the content of carbon and boron as described above, and has a high hardenability by reducing the critical cooling rate. Can provide river

도 1의 a와 b에서 알 수 있듯이, 중심부와 표면부 모두 열간 금형강의 두께가 두꺼워 질수록 낮은 냉각속도를 나타낸다. 냉각속도가 임계냉각속도보다 낮을 경우 경화능이 저하되어 강에 충분한 기계적 물성을 부여할 수 없으므로, 낮은 임계냉각속도의 확보가 필요함을 알 수 있다. As can be seen from a and b of Figure 1, both the central portion and the surface portion shows a lower cooling rate as the thickness of the hot die steel becomes thicker. If the cooling rate is lower than the critical cooling rate, the hardenability is lowered and sufficient mechanical properties cannot be given to the steel, so it can be seen that it is necessary to secure a low critical cooling rate.

일반적으로 강의 열전도도와 경화능은 반비례적으로 나타나 종래에는 열전도도와 경화능이 동시에 우수한 강을 얻는 것이 어려웠으나, 본 발명은 강을 이루는 탄소와 붕소의 함량을 각각 0.37 ~ 0.46 중량% 및 0.0007 ~ 0.004 중량%로 한정함으로써 고온에서의 열전도도 및 경화능이 모두 우수한 열간 금형강을 제공할 수 있다.In general, the thermal conductivity and hardenability of the steel are inversely proportional, and it was difficult to obtain a steel having excellent thermal conductivity and hardenability at the same time. However, the present invention provides 0.37 to 0.46 wt% and 0.0007 to 0.004 wt% of carbon and boron, respectively. By limiting to%, it is possible to provide a hot die steel having excellent thermal conductivity and hardenability at high temperature.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열간 금형강의 제조방법은, 전체 중량에 대하여, 탄소(C) 0.37 ~ 0.46 중량%, 규소(Si) 0.25 ~ 0.5 중량%, 망간(Mn) 0.36 ~ 0.56 중량%, 크롬(Cr) 2.0 ~ 5.0 중량%, 몰리브덴(Mo) 1.4 ~ 2.6 중량%, 바나듐(V) 0.4 ~ 0.8 중량%, 붕소(B) 0.0007 ~ 0.004 중량%, 알루미늄(Al) 0.002 ~ 0.022 중량%, 티타늄(Ti) 0.001 ~ 0.09 중량%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 열간 금형강괴를 열처리하는 단조 단계; 상기 단조 단계에서 제조된 금형 소재를 가열한 뒤 냉각하는 담금질(quenching) 단계; 및 상기 담금질 단계에서 담금질 된 금형 소재를 열처리하는 뜨임(tempering)단계;를 포함한다.On the other hand, the manufacturing method of hot die steel according to another embodiment of the present invention, 0.37 to 0.46% by weight of carbon (C), 0.25 to 0.5% by weight of silicon (Si), 0.36 to 0.56 weight of manganese (Mn) %, Chromium (Cr) 2.0 to 5.0 wt%, Molybdenum (Mo) 1.4 to 2.6 wt%, Vanadium (V) 0.4 to 0.8 wt%, Boron (B) 0.0007 to 0.004 wt%, Aluminum (Al) 0.002 to 0.022 wt% %, 0.001 to 0.09 weight percent of titanium (Ti), the remainder is a forging step of heat-treating a hot mold ingot containing Fe and unavoidable impurities; Quenching step of heating and then cooling the mold material produced in the forging step; And a tempering step of heat-treating the mold material quenched in the quenching step.

이때 상기 열간 금형강을 이루는 원소들의 함량값을, 하기 수식 (1)에 대입하는 경우 그 값이 30.5 이상이며, 하기 수식 (2)에 대입하는 경우 그 값이 0.35 이하로 나타난다.In this case, when the content value of the elements forming the hot die steel is substituted into Equation (1), the value is 30.5 or more, and when it is substituted into Equation (2), the value is 0.35 or less.

Figure 112018031007239-pat00009
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또한 상기 열간 금형강괴는 텅스텐 0.001 ~ 0.007 중량%, 니오븀 0.001 ~ 0.025 중량%, 코발트 0.005 ~ 0.022 중량%를 추가로 더 포함할 수 있으며, 불가피한 불순물로는 예를 들어 인, 황, 질소 등이 포함될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 덧붙여 상기 열간 금형강괴를 이루는 원소의 종류와 함량, 그 함량의 상, 하한을 한정함으로써 얻어지는 효과는 앞서 기재된 열간 금형강과 동일하므로, 이에 대한 설명은 생략한다.In addition, the hot mold ingot may further include 0.001 to 0.007% by weight of tungsten, 0.001 to 0.025% by weight of niobium, and 0.005 to 0.022% by weight of cobalt. Examples of inevitable impurities include phosphorous, sulfur, and nitrogen. But it is not limited thereto. In addition, since the effect obtained by limiting the type and content of the elements forming the hot die ingot, the upper and lower limits of the content thereof is the same as the hot die steel described above, the description thereof is omitted.

상기 열간 금형강의 제조방법은 먼저 상기 열간 금형강괴를 인위적인 열원, 예를 들어, 전기로, 진공유도로 및 대기유도로 중 어느 하나를 이용하여 금속을 녹인 후, 제강 작업시 발생하는 산소, 수소, 질소 등의 가스를 제거함으로써 준비될 수 있다.The method for manufacturing hot die steel first melts the metal using any one of an artificial heat source, for example, an electric furnace, a vacuum induction furnace and an atmospheric induction furnace, and then generates oxygen, hydrogen, It can be prepared by removing a gas such as nitrogen.

다음으로, 상기 열간 금형강괴를 850 ~ 1300℃의 온도 범위에서 열처리하는 단조 단계가 수행되며, 단조 단계를 통해 열간 금형강괴의 주조 조직이 파괴되고, 응고시 생기는 열간 금형강괴 내부의 기공을 압착하고 제거함으로써 열간 금형강괴의 내부 품질을 향상시킬 수 있으며, 또한 이때 금형 소재로써의 형상이 형성될 수 있다.Next, the forging step of heat-treating the hot die ingot in the temperature range of 850 ~ 1300 ℃ is carried out, the casting structure of the hot die ingot is destroyed through the forging step, and the pores inside the hot die ingot generated during solidification By removing, the internal quality of the hot mold ingot can be improved, and at this time, the shape as the mold material can be formed.

이때 온도가 850℃ 미만일 경우 단조 작업 중 형상의 변형이 어려워 균열이 발생될 수 있고, 1300℃를 초과하는 경우 과열에 의한 고온 취화 현상으로 인한 균열이 발생될 수 있기 때문에 상기 온도 범위 내에서 열처리가 수행되는 것이 바람직하다.In this case, if the temperature is less than 850 ° C, cracks may occur due to difficulty in deformation of the shape during forging, and if the temperature exceeds 1300 ° C, cracks may be generated due to high temperature embrittlement due to overheating. It is preferable to carry out.

또한, 단조 공정시 단조비는 4.5S 이상인 것이 바람직한데, 이러한 단조비로 열간 금형강괴를 단조함으로써 열간 금형강괴 내부에 존재하는 기공을 압착하고 제거하는 효율이 증가하므로 열간 금형강의 조직이 더욱 미세하게 형성될 수 있다. 단조비가 4.5S 미만인 경우 금형강의 조직이 조대해짐으로써 인성이 취약해져 다이캐스팅에 적용하는 경우 생산되는 제품의 품질이 악화될 수 있으므로, 단조비를 4.5S 이상으로 하여 단조 단계가 수행되는 것이 바람직하다.In addition, the forging ratio in the forging process is preferably 4.5S or more. By forging the hot die ingot at such forging ratio, the efficiency of compressing and removing pores present in the hot die ingot increases, so that the structure of the hot die steel is more finely formed. Can be. If the forging ratio is less than 4.5S, because the structure of the mold steel is coarse, the toughness is weakened, so that the quality of the produced product may deteriorate when applied to die casting, it is preferable that the forging step is performed with the forging ratio to 4.5S or more.

이후 구상화 열처리 단계가 수행될 수 있으며, 구상화 열처리 단계는 단조 공정으로 인해 금형 소재의 미세 조직에 형성된 망상 탄화물을 쪼개어 구상화 함으로써 탄소의 함량을 균일화시켜 후술될 담금질 단계에서의 효율을 향상시켜 최종적으로 열간 금형강괴의 강도 및 경도를 향상시키는 단계로, 이때 열처리 온도가 840℃ 미만에서 수행되는 경우 망상 탄화물의 분해가 충분히 수행되지 않아 담금질 효율 증가 폭이 적고, 900℃를 초과하여 수행되는 경우 구상화 열처리 단계를 통해 생성되는 합금 탄화물들이 조대화 되어 담금질 단계 이후 목적하는 성질을 얻기 어려울 수 있으므로, 구상화 열처리 단계는 840 ~ 900℃의 온도 범위에서 수행되는 것이 바람직하다.After the spheroidization heat treatment step may be performed, the spheroidization heat treatment step may be spheroidized by splicing the network carbide formed in the microstructure of the mold material due to the forging process to uniformize the carbon content to improve efficiency in the quenching step to be described later and finally hot The step of improving the strength and hardness of the mold ingot, wherein if the heat treatment temperature is carried out below 840 ℃, the decomposition of the network carbide is not sufficiently performed so that the quenching efficiency increase is small, when the heat treatment temperature exceeds 900 ℃ spheroidization heat treatment step Since alloy carbides produced through coarsening may be difficult to obtain the desired properties after the quenching step, the spheroidizing heat treatment step is preferably performed at a temperature range of 840 ~ 900 ℃.

다음으로 담금질(quenching) 단계가 수행되며, 담금질은 열처리 후 냉각하는 단계로 이루어지는데, 담금질 단계에서의 열처리 온도가 1000℃ 미만일 경우 첨가된 합금 원소의 고용 효과가 적어 경화능이 저하될 수 있으며, 1040℃를 초과하는 경우에는 입자의 조대화로 인해 마르텐사이트 변태 시작 온도를 낮춰 잔류 오스테나이트의 양이 늘어나므로, 기계적 물성 저하와 더불어 재질이 불균질해지며, 이로 인한 금형의 치수 변화가 일어날 수 있기 때문에 열처리는 1000 ~ 1040℃의 온도범위에서 수행되는 것이 바람직하다.Next, the quenching step is performed, and the quenching is performed after the heat treatment and cooling. When the heat treatment temperature in the quenching step is less than 1000 ° C., the hardening effect of the added alloying element may be low, and thus the hardenability may be reduced. If the temperature is exceeded, the amount of retained austenite is increased by lowering the martensite transformation start temperature due to the coarsening of the particles, resulting in deterioration of mechanical properties and material irregularities, which may cause mold change. Therefore, the heat treatment is preferably performed at a temperature range of 1000 ~ 1040 ℃.

담금질 단계의 열처리 공정 이후 수행되는 냉각 공정이 수행될 수 있으며, 이때의 냉각은 0.35℃/s이상, 바람직하게는 0.5 ~ 3.0℃/s의 속도로 80 ~ 100℃ 온도 범위에 도달할 때까지 수행됨으로써 금형강의 강도를 더욱 향상시킬 수 있다. 이때, 고압의 질소 가압 냉각기를 이용하여 냉각함으로써 상기 냉각 속도가 달성될 수 있다.The cooling process performed after the heat treatment process of the quenching step may be performed, wherein the cooling is carried out to reach a temperature range of 80 to 100 ℃ at a rate of 0.35 ℃ / s or more, preferably 0.5 ~ 3.0 ℃ / s By doing so, the strength of the mold steel can be further improved. At this time, the cooling rate may be achieved by cooling using a high pressure nitrogen pressurized cooler.

담금질 단계 이후 뜨임(tempering) 단계가 수행되며, 이때의 열처리 온도는 520 ~ 640℃인 것이 바람직한데, 이는 뜨임 수행 온도가 520℃ 미만일 경우 2차 경화 반응이 충분히 일어나지 않아 목적하는 물성을 얻기 힘들거나 2차 경화시 생성된 탄화물에 의한 뜨임 취성이 발생하고, 640℃를 초과하는 경우 금형강의 강도가 급격히 저하되기 때문으로, 상기 온도 범위 내에서 뜨임 단계가 수행되는 것이 바람직하다.The tempering step is performed after the quenching step, and the heat treatment temperature at this time is preferably 520 to 640 ° C. When the tempering temperature is less than 520 ° C., the secondary curing reaction does not sufficiently occur to obtain the desired physical properties. Tempering brittleness due to carbides generated during secondary curing occurs, and if the strength of the mold steel is sharply lowered when it exceeds 640 ° C., the tempering step is preferably performed within the above temperature range.

뜨임은 열간 금형강의 인성을 향상시키기 위해 수행하는 공정으로, 본 발명에서는 다단으로 수행되는 것이 바람직하며, 구체적으로, 540 ~ 630℃의 온도 범위에서 2 ~ 6시간 동안 1차 뜨임 한 뒤, 540 ~ 620℃의 온도 범위에서 2 ~ 6시간 동안 2차 뜨임하는 단계가 포함될 수 있다.Tempering is a process carried out to improve the toughness of the hot die steel, preferably in the present invention is carried out in multiple stages, specifically, after the first tempering for 2 to 6 hours in the temperature range of 540 ~ 630 ℃, 540 ~ The second tempering may be included for 2 to 6 hours in the temperature range of 620 ℃.

이후, 2차 뜨임을 통해 얻어진 열간 금형강을, 540 ~ 610℃의 온도 범위에서 2 ~ 6시간 동안 열처리하는 3차 뜨임 단계가 추가로 더 포함될 수 있다.Thereafter, a third tempering step of heat-treating the hot mold steel obtained through the secondary tempering for 2 to 6 hours at a temperature range of 540 to 610 ° C. may be further included.

상기와 같은 다단 뜨임시 1차 뜨임에 의해 금형강 조직 내 잔류 오스테나이트가 베이나이트로 분해되거나 마르텐사이트로 변태되어 인성이 저하하게 되는데, 2차 뜨임을 통해 앞서 생성된 마르텐사이트가 분해되어 인성이 증가하고 3차 뜨임을 통해 금형 소재의 경도가 정밀하게 조절될 수 있다.In the multi-stage tempering as described above, residual austenite in the mold steel structure is decomposed into bainite or transformed into martensite by primary tempering, thereby decreasing toughness. By increasing and tertiary tempering, the hardness of the mold material can be precisely controlled.

이후 상술한 방법으로 제조된 열간 금형강의 표면 경도를 향상시키기 위한 표면 질화 열처리 단계가 추가로 더 수행될 수 있으며, 질화 열처리법으로는 상기 강재를 암모니아 가스 하에 약 500℃ 이상의 온도에서 약 18 ~ 19시간 동안 가열하여 자연 냉각시키는 순질화법, 암모니아의 열분해로 인한 질소원소와 침탄성 가스에서 공급되는 CO가스에 의해 이루어지는 가스질화법, 알카리금속의 시아네이트(MCNO)가 500℃ 이상에서 분해되는 성질을 이용하는 연질화법, 방전 에너지에 의해 질소 가스를 이온화시켜 생긴 N+ 이온이 (-)극의 강재 표면에서 질화작용을 하게 하는 이온질화법, 플라즈마를 이용한 침류질화법 등이 적용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.Thereafter, a surface nitriding heat treatment step may be further performed to improve the surface hardness of the hot die steel manufactured by the above-described method, and the nitriding heat treatment may be performed on the steel at about 500 ° C. or higher at about 500 ° C. or higher under ammonia gas. Pure nitriding method by heating for natural cooling, gas nitriding method by CO gas supplied from nitrogen element and carburizing gas due to pyrolysis of ammonia, alkali metal cyanate (MCNO) decomposition over 500 ℃ The soft nitriding method to be used, the ion nitriding method which causes the N + ion generated by ionizing nitrogen gas by the discharge energy to nitriding on the steel surface of the negative electrode, and the immersion nitriding method using plasma may be used, but are not limited thereto. .

이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples. The following examples are merely examples to help understanding of the present invention, but the scope of the present invention is not limited thereto.

[제조예][Production example]

표 1의 조성을 갖는 강괴를 약 1185℃에서 5S의 단조비로 단조하여 금형 소재를 제조하고, 840℃에서 약 10시간 동안 구상화 열처리를 수행하였다. 이후 상기 금형 소재를 1030℃에서 2시간 동안 열처리하고, 약 90℃까지 약 0.5℃/s의 냉각 속도로 냉각하는 담금질 공정을 수행한 뒤, 595℃에서 3시간 동안 1차 뜨임하고, 590℃에서 3시간 동안 2차 뜨임한 뒤, 580℃에서 3시간 동안 3차 뜨임하여 실시예 1 ~ 3 및 비교예 1 ~ 8의 열간 금형강을 제조하였다.The steel ingot having the composition shown in Table 1 was forged at a forging ratio of 5S at about 1185 ° C. to prepare a mold material, and a spheroidizing heat treatment was performed at 840 ° C. for about 10 hours. Thereafter, the mold material is heat-treated at 1030 ° C. for 2 hours, subjected to a quenching process of cooling at a cooling rate of about 0.5 ° C./s to about 90 ° C., and then first tempered at 595 ° C. for 3 hours, and then at 590 ° C. After tempering for 2 hours for 3 hours and then tempering for 3 hours at 580 ° C., hot mold steels of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 8 were prepared.

CC SiSi MnMn CrCr MoMo VV BB AlAl TiTi WW NbNb CoCo NiNi 실시예1Example 1 0.38 0.38 0.49 0.49 0.45 0.45 4.65 4.65 1.441.44 0.626 0.626 0.0027 0.0027 0.003 0.003 0.001 0.001 0.003 0.003 0.003 0.003 0.011 0.011 0.11 0.11 실시예2Example 2 0.42 0.42 0.48 0.48 0.44 0.44 4.95 4.95 1.411.41 0.580 0.580 0.0010 0.0010 0.002 0.002 0.001 0.001 0.006 0.006 0.001 0.001 0.005 0.005 0.08 0.08 실시예3Example 3 0.37 0.37 0.31 0.31 0.48 0.48 2.92 2.92 1.861.86 0.590 0.590 0.0019 0.0019 0.019 0.019 0.004 0.004 0.000 0.000 0.023 0.023 0.019 0.019 0.09 0.09 비교예1Comparative Example 1 0.45 0.45 0.30 0.30 0.46 0.46 4.90 4.90 1.271.27 0.529 0.529 0.0003 0.0003 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.12 0.12 비교예2Comparative Example 2 0.39 0.39 0.32 0.32 0.45 0.45 2.93 2.93 1.461.46 0.590 0.590 0.0008 0.0008 0.037 0.037 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.05 0.05 비교예3Comparative Example 3 0.40 0.40 0.51 0.51 1.17 1.17 1.00 1.00 2.52.5 1.210 1.210 0.0016 0.0016 0.024 0.024 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.10 0.10 비교예4Comparative Example 4 0.41 0.41 0.26 0.26 0.40 0.40 2.04 2.04 2.582.58 0.410 0.410 0.0007 0.0007 0.055 0.055 0.090 0.090 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 1.02 1.02 비교예5Comparative Example 5 0.38 0.38 0.91 0.91 0.42 0.42 5.16 5.16 1.221.22 0.850 0.850 0.0001 0.0001 0.011 0.011 0.001 0.001 0.003 0.003 0.003 0.003 0.015 0.015 0.05 0.05 비교예6Comparative Example 6 0.38 0.38 0.31 0.31 0.45 0.45 4.87 4.87 1.171.17 0.590 0.590 0.0009 0.0009 0.048 0.048 0.020 0.020 0.000 0.000 0.025 0.025 0.000 0.000 0.10 0.10 비교예7Comparative Example 7 0.37 0.37 1.00 1.00 0.25 0.25 5.00 5.00 1.251.25 1.000 1.000 0.0000 0.0000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.00 0.00 비교예8Comparative Example 8 0.41 0.41 0.44 0.44 0.42 0.42 3.96 3.96 1.431.43 0.700 0.700 0.0010 0.0010 0.005 0.005 0.003 0.003 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.00 0.00

(단위:wt%)(Unit: wt%)

[실험예 1] 탄소와 붕소 함량에 따른 열전도도 및 임계냉각속도 시뮬레이션 Experimental Example 1 Simulation of Thermal Conductivity and Critical Cooling Rate According to Carbon and Boron Content

전산모사 및 통계 툴을 활용하여 탄소와 붕소의 함량을 변화시키며 400℃에서 상기 수식 (1)로 표현된 열전도도를 시뮬레이션하여 그 결과를 도 2에 나타내고, 수식 (2)로 표현된 임계냉각속도의 log 값을 시뮬레이션하여 그 결과를 도 3에 나타내었다. 이때 규소, 망간, 크롬, 몰리브덴, 티타늄 및 바나듐의 함량은 각각 0.45, 0.46, 4.8, 1.45, 0.001 및 0.6 중량%로 고정하였다.The thermal conductivity represented by Equation (1) is simulated at 400 ° C. by using computer simulation and statistical tools, and the results are shown in FIG. 2 and the critical cooling rate expressed by Equation (2). The log value of is simulated and the result is shown in FIG. At this time, the contents of silicon, manganese, chromium, molybdenum, titanium and vanadium were fixed at 0.45, 0.46, 4.8, 1.45, 0.001 and 0.6 wt%, respectively.

도 2를 살펴보면, 탄소의 함량이 0.37 중량% 이상인 경우 수식 (1)로 산출된 열전도도가 30.5W/mK 이상으로 나타나 금형강의 히트체크 저항성이 우수한 것을 확인할 수 있다. 또한 도 3을 살펴보면, 붕소의 함량이 0.0007 중량% 이상인 경우 임계냉각속도가 0.35℃/s 이하, 즉 임계냉각속도의 log값이 -0.45 이하인 것으로 나타나 금형강의 경화능이 우수한 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 2, when the carbon content is 0.37 wt% or more, the thermal conductivity calculated by Equation (1) may be 30.5W / mK or more, indicating that the heat check resistance of the mold steel is excellent. 3, when the boron content is 0.0007 wt% or more, the critical cooling rate is 0.35 ° C./s or less, that is, the log value of the critical cooling rate is −0.45 or less, indicating that the mold hardening ability is excellent.

따라서, 본 발명의 금형강이 0.37 중량% 이상의 탄소를 포함하고 동시에 0.0007 중량% 이상의 붕소를 포함하는 경우 기존의 금형강과는 달리 열전도도와 경화능이 모두 우수한 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다.Therefore, when the mold steel of the present invention contains 0.37% by weight or more of carbon and at the same time contains boron of 0.0007% by weight or more, it can be seen that the thermal conductivity and the hardenability are excellent, unlike the existing mold steel.

[실험예 2] 열전도도 및 임계냉각속도 측정 Experimental Example 2 Measurement of Thermal Conductivity and Critical Cooling Rate

실시예 1 ~ 3 및 비교예 1 ~ 8의 열간 금형강의 열전도도 및 임계냉각속도를 실험예 1과 동일한 방법을 이용하여 산출한 값을 표 2에 나타내고 일부 열간 금형강의 열전도도와 임계냉각속도를 측정하여 함께 표 2에 나타내었다.The thermal conductivity and critical cooling rate of the hot die steels of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 8 were calculated using the same method as in Experimental Example 1, and Table 2 shows the thermal conductivity and critical cooling rate of some hot mold steels. It is shown in Table 2 together.

열전도도 측정은 실시예 1, 비교예 1 ~ 5 및 7을 대상으로 수행되었고, 열전도도는 밀도, 비열 및 열확산율을 측정하여 계산되었는데 이때 밀도는 수중 치환법을 통해 측정하였고, 비열 및 열확산율은 Laser flash 법을 이용하여 측정하었다.Thermal conductivity measurement was performed for Examples 1, Comparative Examples 1 to 5 and 7, and the thermal conductivity was calculated by measuring the density, specific heat and thermal diffusivity, the density was measured by the submerged method, specific heat and thermal diffusivity Was measured using the Laser flash method.

또한, 임계냉각속도 측정은 실시예 2, 비교예 1 및 2를 대상으로 수행되었으며, Dilatometer를 활용하여 도 4의 연속 냉각 변태 선도를 도출한 뒤, 이를 이용하여 냉각 시 변태가 발생하지 않는 최소의 냉각속도를 임계냉각속도로 판단하였다.In addition, the critical cooling rate measurement was performed for Example 2, Comparative Examples 1 and 2, using the dilatometer to derive the continuous cooling transformation diagram of Figure 4, using this to minimize the transformation does not occur during cooling The cooling rate was determined by the critical cooling rate.

구분division 열전도도
측정값(W/mK)
Thermal conductivity
Measured value (W / mK)
식 (1)의 값
(W/mK)
Value of equation (1)
(W / mK)
연속 냉각 변태 선도로부터 도출된
임계냉각속도(℃/s)
Derived from a continuous cooling transformation diagram
Critical cooling rate (℃ / s)
식 (2)의 값
(℃/s)
Value of equation (2)
(℃ / s)
실시예1 Example 1 31.731.7 30.630.6 -- 0.090.09 실시예2 Example 2 -- 30.930.9 0.200.20 0.180.18 실시예3 Example 3 -- 33.133.1 -- 0.350.35 비교예1 Comparative Example 1 31.831.8 32.032.0 0.500.50 0.590.59 비교예2 Comparative Example 2 33.833.8 33.533.5 1.251.25 1.441.44 비교예3 Comparative Example 3 33.333.3 32.732.7 -- 0.400.40 비교예4 Comparative Example 4 34.434.4 35.135.1 -- 0.790.79 비교예5Comparative Example 5 28.228.2 28.628.6 -- 0.520.52 비교예6Comparative Example 6 -- 31.231.2 -- 0.450.45 비교예7Comparative Example 7 28.228.2 28.428.4 -- 0.800.80 비교예8Comparative Example 8 -- 31.931.9 -- 0.470.47

실험 결과, 수식 (1)을 이용한 열전도도 시뮬레이션 값과, 실제 측정값은 다소 차이가 있으나, 그 경향은 정확히 같은 것으로 나타나 수식 (1)이 열전도도를 나타내는 지표로 활용될 수 있음을 확인하였고, 마찬가지로 수식 (2)를 이용한 임계냉각속도와, 연속 냉각 변태 선도로부터 도출된 임계냉각속도는 그 절대값에 있어서 다소 차이는 있으나 경향성은 동일한 것으로 나타나, 수식 (2)가 임계냉각속도를 나타내는 지표로 활용될 수 있음을 확인하였다.Experimental results show that the thermal conductivity simulation value using Equation (1) and the actual measured value are somewhat different, but the tendency is exactly the same, confirming that Equation (1) can be used as an indicator of thermal conductivity. Similarly, the critical cooling rate using Equation (2) and the critical cooling rate derived from the continuous cooling transformation diagram are somewhat different in absolute value, but the tendency is the same, and Equation (2) is an index indicating the critical cooling rate. It was confirmed that it can be utilized.

따라서, 수식 (1)로 계산된 값으로 열전도도를 대체하여 사용하고, 수식 (2)로 계산된 값으로 임계냉각속도를 대체하여 사용하였다.Therefore, the value calculated by Equation (1) was used to replace the thermal conductivity, and the value calculated by Equation (2) was used by replacing the critical cooling rate.

수식 (1)을 이용한 열전도도 값은 비교예 5 및 7의 금형강을 제외하고는 모두 30.5W/mK 이상으로 나타나나, 수식 (2)를 이용한 임계냉각속도는 실시예 1 ~ 3만이 0.35℃/s 이하로 나타나 실시예의 금형강은 모두 수식 (1)과 수식 (2)의 조건을 모두 만족하여 높은 열전도도와 우수한 경화능을 갖는 것으로 확인되었다. The thermal conductivity values using Equation (1) were all higher than 30.5W / mK except for the mold steels of Comparative Examples 5 and 7, but the critical cooling rate using Equation (2) was 0.35 ° C only in Examples 1 to 3. It was confirmed that the mold steels of Examples shown below / s satisfy all of the conditions of the formulas (1) and (2), and have high thermal conductivity and excellent hardenability.

[실험예 3] 물성 평가 Experimental Example 3 Physical Property Evaluation

실시예 2, 비교예 1, 2 및 4의 열간 금형강을 300×300×300 mm로 제작하고 표면 부위에서 시험편을 단조 길이 방향으로 채취하여, 인장강도와 충격인성을 측정한 결과를 표 3에 나타내었다. 이때 각 물성을 측정하기 전 경도를 측정하였는데, 그 결과도 표 3에 함께 나타내었다. 인장강도는 상온에서 ASTM E8의 규격으로 시험하여 얻었고, 충격인성은 상온에서 ASTM E23의 규격으로 Charpy 충격시험(2mm U-notch)을 통해 얻었다.The results of measuring the tensile strength and impact toughness of the hot die steels of Examples 2 and Comparative Examples 1, 2, and 4 were made into 300 × 300 × 300 mm, and the test pieces were taken in the forging length direction from the surface areas. Indicated. At this time, the hardness was measured before measuring the physical properties, the results are also shown in Table 3. Tensile strength was obtained by testing the standard of ASTM E8 at room temperature, and the impact toughness was obtained by Charpy impact test (2mm U-notch) at the standard of ASTM E23 at room temperature.

  수식(2)의
값(℃/s)
In formula (2)
Value (℃ / s)
인장강도(Mpa)
(경도(HRc))
Tensile Strength (Mpa)
(Hardness (HRc))
충격인성(J)
(경도(HRc))
Impact Toughness (J)
(Hardness (HRc))
실시예2Example 2 0.180.18 1566 (45.7)1566 (45.7) 29.7 (49.6)29.7 (49.6) 비교예1Comparative Example 1 0.590.59 1548 (45.5)1548 (45.5) 25.0 (49.7)25.0 (49.7) 비교예2Comparative Example 2 1.441.44 1487 (45.8)1487 (45.8) 8.8 (49.1)8.8 (49.1) 비교예4Comparative Example 4 0.790.79 1492 (45.6)1492 (45.6) 5.2 (49.2)5.2 (49.2)

표 3의 결과에서 확인되듯이, 약 46HRc의 경도에서 실시예 2의 인장강도가 가장 우수한 것으로 나타났으며, 동일한 경도에서 실시예 2의 충격인성이 월등히 우수한 것으로 나타났다. As confirmed in the results of Table 3, the tensile strength of Example 2 was found to be the most excellent at a hardness of about 46HRc, the impact toughness of Example 2 was found to be excellent at the same hardness.

이러한 결과는 실시예 2가 본 발명에서 한정한 조성을 만족하는 동시에 수식 (2)를 만족하기 때문에 나타나는 것으로, 특히 수식 (2)를 만족하기 때문에 낮은 임계냉각속도가 확보되고, 이로 인해 경화능이 향상되며, 따라서 인장강도와 충격인성이 향상된 것임을 알 수 있다.This result appears because Example 2 satisfies the composition defined in the present invention and at the same time satisfies Equation (2). Particularly, it satisfies Equation (2), thereby ensuring a low critical cooling rate, thereby improving hardenability. Therefore, it can be seen that the tensile strength and impact toughness are improved.

따라서, 본 발명의 합금계에서 열간 금형강의 인장강도와 충격인성의 향상을 위해서는 본 발명에서 한정된 조성과 수식 (2)를 모두 만족하는 것이 바람직하다. Therefore, in order to improve the tensile strength and impact toughness of the hot die steel in the alloy system of the present invention, it is preferable to satisfy both the composition and the formula (2) defined in the present invention.

[실험예 4] 담금질 온도에 따른 조직 변화 및 경도 관찰 Experimental Example 4 Observation of Tissue Change and Hardness According to Quenching Temperature

실시예 1의 금형강의 담금질 온도 조건을 변화시켜가며 이에 따른 미세 조직 변화를 도 5에 나타낸 2차원 측정기를 활용하여 나타낸 Debye ring 사진과 도 6에 나타낸 광학 사진을 이용하여 관찰하고, 담금질 온도에 따른 경도를 측정하여 도 7에 나타내었다.The quenching temperature of the mold steel of Example 1 was changed, and the microstructure change according to the quenching temperature was observed using the Debye ring photograph and the optical photograph shown in FIG. 6. Hardness was measured and shown in FIG. 7.

도 5는 금형강의 기지조직인 마르텐사이트의 Debye ring의 X선 회절 사진으로, 담금질 온도가 1050℃일 때 Debye ring이 뾰족한 모양을 띄는데, 이는 특정한 방위를 갖는 결정립의 비정상적인 입자 성장이 이루어져 나타난 결과로 판단된다. 또한, 1050℃ 이상에서 잔류 오스테나이트의 Debye ring도 보이므로, 담금질 온도가 1050℃ 이상일 경우 조직이 불균질하게 형성되며, 이러한 결과는 도 6에서도 확인할 수 있으므로, 결과적으로 균일한 조직을 형성하기 위해서 담금질 온도가 1050℃ 미만인 것이 바람직함을 알 수 있다.5 is an X-ray diffraction image of the Debye ring of martensite, the matrix structure of the mold steel, and the Debye ring has a sharp shape when the quenching temperature is 1050 ° C, which is a result of abnormal grain growth of grains having a specific orientation. Judging. In addition, since the debye ring of the retained austenite is also seen at 1050 ° C. or higher, when the quenching temperature is 1050 ° C. or higher, the tissue is formed inhomogeneously. Such a result can be confirmed in FIG. It can be seen that the quenching temperature is preferably less than 1050 ° C.

또한 일반적으로 담금질 온도가 증가할수록 합금 원소들의 용해도가 증가하여 경화능이 향상되나, 도 7에서 확인할 수 있듯이, 1000℃를 전후로 경도가 급격히 상승하다가, 1040℃를 전후로 경도가 다시 급격히 하락하므로, 금형강의 경도를 향상시키기 위해 1000 ~ 1040℃에서 담금질 열처리가 수행되는 것이 바람직함을 확인할 수 있다.In general, as the quenching temperature increases, the solubility of the alloying elements increases to improve the hardenability. As can be seen in FIG. 7, the hardness rapidly increases around 1000 ° C., and then the hardness drops rapidly around 1040 ° C., thereby reducing the hardness of the mold steel. It can be seen that quenching heat treatment is preferably performed at 1000 ~ 1040 ℃ to improve the hardness.

[실험예 5] 뜨임 온도에 따른 경도 측정 Experimental Example 5 Measurement of Hardness According to Tempering Temperature

상기 제조예에 따라 실시예 1, 2 및 비교예 1의 조성을 갖는 금형강을 제조하되, 300 ~ 700℃의 온도 범위에서 온도를 변화시켜가며 2단 뜨임 공정을 수행하여, 그 결과를 도 8에 나타내었다. 이때 각 뜨임 단계의 온도는 동일하게 조절되었다.According to the preparation example, the mold steel having the composition of Examples 1, 2 and Comparative Example 1 was prepared, but the two-stage tempering process was performed while varying the temperature in the temperature range of 300 ~ 700 ℃, the results are shown in FIG. Indicated. At this time, the temperature of each tempering step was adjusted to be the same.

도 8을 살펴보면, 뜨임 온도가 540℃ 이하일 경우, 그래프상의 경도는 높게 나타나나 실제로는 2차 경화에 의한 뜨임 취성이 발생될 위험이 있고, 630℃의 온도를 초과하는 경우 심각한 경도 저하가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 따라서 뜨임 공정은 540 ~ 630℃의 온도범위에서 수행되는 것이 바람직하며, 이 때 45HRc 이상의 높은 경도를 얻을 수 있는 것으로 확인되었다. 또한, 상기 온도범위에서 상대적으로 실시예의 경도가 비교예의 경도보다 높게 나타나는 것도 확인할 수 있다.Referring to FIG. 8, when the tempering temperature is 540 ° C. or less, the hardness on the graph is high, but there is a risk of temper brittleness due to secondary curing, and when the temperature is exceeded 630 ° C., severe hardness decreases. You can check it. Therefore, the tempering process is preferably carried out at a temperature range of 540 ~ 630 ℃, it was confirmed that a high hardness of 45HRc or more can be obtained at this time. In addition, it can also be seen that the hardness of the example is relatively higher than the hardness of the comparative example in the above temperature range.

[실험예 6] 연화저항성 평가 Experimental Example 6 Softening Resistance Evaluation

뜨임 시간에 따른 경도 변화를 평가하기 위하여 상기 제조예와 동일한 방법으로 상기 실시예 1과 비교예 1, 2, 5, 7의 열간 금형강을 제조하되, 뜨임 온도를 650℃로 하여 0.01, 1, 2, 5, 10, 20, 30, 40, 50 및 100시간 동안 열처리한 후 냉각하고, 각 시편의 경도를 측정한 결과를 도 9에 나타내었다. In order to evaluate the change in hardness according to the tempering time, hot die steels of Example 1 and Comparative Examples 1, 2, 5, and 7 were prepared in the same manner as in Preparation Example, but the tempering temperature was 650 ° C., 0.01, 1, After heat treatment for 2, 5, 10, 20, 30, 40, 50 and 100 hours and then cooled, the hardness of each specimen was measured, and the results are shown in FIG. 9.

실험 결과, 초기 경도는 각 금형강이 유사하게 나타났으나, 100시간 후 경도 저하가 가장 적게 발생한 것은 실시예 1의 금형강인 것으로 나타났다. 이와 같은 고온에서의 경도 저하에 대한 저항인 연화 저항성은 몰리브덴, 티타늄 및 니오븀이 안정한 탄질화물을 형성한 양과 직접적으로 비례하는 것으로 판단되며, 이는 몰리브덴의 함량이 높은 비교예 2의 연화 저항성 또한 높게 나타난 것으로부터도 확인할 수 있다.As a result, the initial hardness was similar to each mold steel, but the least decrease in hardness after 100 hours was found to be the mold steel of Example 1. The softening resistance, which is the resistance to hardness decrease at high temperatures, is directly proportional to the amount of molybdenum, titanium, and niobium forming stable carbonitrides, which also showed high softening resistance of Comparative Example 2 having high molybdenum content. We can confirm from thing, too.

따라서 열간 금형강의 연화 저항성을 향상시키기 위해서는 몰리브덴이 1.4 중량% 이상 포함되는 것이 바람직하다.Therefore, in order to improve the softening resistance of hot die steel, it is preferable that molybdenum is contained in 1.4 weight% or more.

[실험예 7] 질화특성 평가 Experimental Example 7 Evaluation of Nitriding Properties

실시예 1, 비교예 1 및 5의 열간 금형강을 550℃에서 15시간 동안 가스침류질화법을 이용하여 표면처리한 후 표면으로부터의 거리에 따른 경도를 측정하고, 그 결과를 도 10에 나타내었다. After the surface of the hot die steel of Example 1, Comparative Examples 1 and 5 by using the gas immersion nitriding method at 550 ℃ for 15 hours, the hardness according to the distance from the surface was measured, the results are shown in Figure 10 .

실험 결과, 실시예 1은 질화후의 표면 경도가 모재부의 경도에 대비하여 701Hv 상승하였으며, 비교예 1은 425Hv, 비교예 5는 553Hv가 상승하여, 실시예 1의 표면 경도가 비교예들에 비해 약 25% 이상 향상되었음을 알 수 있다. As a result, in Example 1, the surface hardness after nitriding was increased by 701 Hv relative to the hardness of the base material portion, in Comparative Example 1 was increased by 425Hv, and Comparative Example 5 was increased by 553Hv, and the surface hardness of Example 1 was higher than that of the comparative examples. It can be seen that the improvement is more than 25%.

이는, 본 발명의 열간 금형강이 히트체크 크랙의 전파를 효과적으로 지연시킴으로써 나타난 결과로, 이를 통하여 본 발명의 열간 금형강으로 제조된 금형의 수명이 다른 금형강에 비해 월등히 우수할 것임이 예측 가능하다.This is a result of the hot die steel of the present invention effectively delays the propagation of the heat check crack, and through this, it can be predicted that the life of the die manufactured with the hot die steel of the present invention will be much superior to other die steels. .

질화에 의한 경도 상승은 몰리브덴, 크롬 및 바나듐을 통해 이루어질 수 있는데 주로 몰리브덴에 의해 나타나며, 특히 몰리브덴의 함량이 1.4 중량% 미만인 경우 경도 상승이 현저히 저하되므로, 전체 중량에 대하여 몰리브덴을 1.4 중량% 이상으로 사용하는 것이 바람직함을 알 수 있다.The increase in hardness due to nitriding can be achieved through molybdenum, chromium and vanadium, which is mainly caused by molybdenum, and especially when the molybdenum content is less than 1.4 wt%, the rise in hardness is significantly lowered. It can be seen that it is preferable to use.

[실험예 8] 히트체크 평가 Experimental Example 8 Heat Check Evaluation

실시예 2 및 3, 비교예 1, 5 ~ 7 및 8의 금형강 시편을 고주파 유도 가열 방식을 사용하여 650℃까지 승온한 후, 수냉을 통해 상온으로 냉각시키는 사이클을 1000회 반복하여 시편 측면에 발생한 히트크랙의 개수 및 길이를 측정하고, 그 결과를 표 4에 나타내었다. 또한, 각 시편의 열전도도를 수식 (1)에 따라 산출하여 표 4에 나타내었고, 열전도도에 따른 최대 히트크랙 길이와 단위 시편 길이당 히트크랙 길이를 도시하여 도 11에 나타내었다.After heating the mold steel specimens of Examples 2 and 3 and Comparative Examples 1, 5 to 7, and 8 to 650 ° C by using a high frequency induction heating method, the cycle of cooling to room temperature through water cooling was repeated 1000 times. The number and length of the generated heat cracks were measured, and the results are shown in Table 4. In addition, the thermal conductivity of each specimen was calculated according to Equation (1) and is shown in Table 4, and the maximum heat crack length and heat crack length per unit specimen length according to thermal conductivity are shown in FIG. 11.

구분division 수식 (1)의 값(W/mK)Value of Equation (1) (W / mK) A : 평균 히트 크랙 길이
(㎛)
A: average heat crack length
(Μm)
B: 단위 시편 길이당 히트 크랙 개수 (mm-1) B: Number of heat cracks per unit specimen length (mm -1 ) 최대 히트크랙 길이(mm) Heat crack length (mm) A x B : 단위 시편 길이당 평균 히트크랙 길이(㎛/mm) A x B: Average heat crack length per unit specimen length (㎛ / mm)
실시예2 Example 2 30.9 30.9 215215 2.372.37 1.961.96 509.55 509.55 실시예3 Example 3 33.1 33.1 181181 2.252.25 1.161.16 407.25 407.25 비교예1 Comparative Example 1 32.0 32.0 292292 2.392.39 2.242.24 697.88 697.88 비교예5 Comparative Example 5 28.6 28.6 349349 2.242.24 2.332.33 781.76 781.76 비교예6 Comparative Example 6 31.2 31.2 257257 2.352.35 2.072.07 603.95 603.95 비교예7 Comparative Example 7 28.4 28.4 460460 1.991.99 3.783.78 915.40 915.40 비교예8 Comparative Example 8 31.9 31.9 321321 2.122.12 2.312.31 680.52 680.52

실험 결과, 실시예의 경우 단위 시편 길이당 히트크랙 개수는 비교예와 유사하나, 평균 히트크랙 길이가 월등히 짧은 것으로 것으로 나타났으며, 단위 시편 길이당 히트크랙 길이도 비교예에 비해 현저히 낮아 실시예의 열간 금형강의 히트크랙 저항성이 뛰어난 것을 확인할 수 있었으므로, 본 발명의 금형강을 이용하면 기존의 금형강보다 연장된 수명을 갖는 금형이 얻어질 수 있음이 확인되었다. As a result of the experiment, the number of heat cracks per unit specimen length was similar to the comparative example, but the average heat crack length was found to be significantly shorter, and the heat crack length per unit specimen length was significantly lower than that of the comparative example. Since it was confirmed that the heat cracking resistance of the mold steel was excellent, it was confirmed that by using the mold steel of the present invention, a mold having an extended life than the conventional mold steel could be obtained.

또한, 도 11을 살펴보면, 열전도도가 증가할수록 최대 히트크랙의 길이, 평균 히트크랙 길이×단위 시편 길이당 히트크랙 개수 값이 감소하는 경향을 확인할 수 있다. 특히, 수식 (1)로 계산된 열전도도의 값이 30.5W/mK 이상일 때 히트크랙 저항성이 월등히 향상되므로, 수식 (1)로 계산된 열간 금형강의 열전도도 값이 30.5W/mK 이상인 것이 바람직하다.In addition, referring to FIG. 11, it can be seen that as the thermal conductivity increases, the maximum heat crack length, the average heat crack length x the number of heat cracks per unit specimen length decrease. In particular, since the heat crack resistance is significantly improved when the value of the thermal conductivity calculated by Equation (1) is 30.5W / mK or more, it is preferable that the thermal conductivity value of the hot die steel calculated by Equation (1) is 30.5W / mK or more. .

이때, 비교예 1, 6 및 8의 열전도도는 30.5W/mK 이상으로, 히트크랙 저항성이 비교예 5 및 7에 비해 우수하나, 실시예 2 및 3에 비해서는 현저히 저하되는 것으로 나타났다. 이는 히트크랙 저항성을 향상시키기 위하여 수식 (1)뿐만 아니라 본 발명에서 한정된 조성 및 수식 (2)의 조건을 만족해야 함을 시사하는 것으로, 이에 대한 사항은 후술될 실험예 10에서 확인할 수 있다.At this time, the thermal conductivity of Comparative Examples 1, 6, and 8 is 30.5W / mK or more, and the heat crack resistance was superior to Comparative Examples 5 and 7, but it was found to be significantly lower than Examples 2 and 3. This suggests that the condition of the composition and the formula (2) defined in the present invention as well as the formula (1) in order to improve the heat crack resistance is to be satisfied, the details can be confirmed in Experimental Example 10 to be described later.

[실험예 9] 용손 평가 Experimental Example 9 Yongson Evaluation

실시예 2 및 3, 비교예 1, 5 및 7의 금형강을 20×20×10mm의 시편으로 제조한 뒤, 각 시편의 한쪽 표면에만 점착성이 있는 내화재료를 도포하고 48시간 이상 충분히 건조시켰다. 이후 상기 시편을 용융 알루미늄의 온도가 700℃인 용탕에 43시간 침지시킨 뒤 꺼내어 냉각한 후, 내화재 도포면의 수직 방향으로 컷팅하여 광학현미경을 이용하여 단면을 촬영하고, 그 결과를 도 12에 나타내었다. The mold steels of Examples 2 and 3 and Comparative Examples 1, 5, and 7 were made into 20 × 20 × 10 mm specimens, and then a viscous refractory material was applied to only one surface of each specimen and sufficiently dried for at least 48 hours. Thereafter, the specimen was immersed in a molten aluminum having a temperature of 700 ° C. for 43 hours, then taken out and cooled, and then cut in the vertical direction of the refractory coating surface to take a cross section using an optical microscope, and the results are shown in FIG. 12. .

이후 내화재료가 도포되지 않아 용손이 생긴 지점으로부터의 용손 깊이를 10회 측정한 용손 깊이의 평균값을 구하여 실험예 8에서 얻어진 단위 시험편 길이당 히트크랙의 길이와 함께 도 13에 나타내었다. 그래프의 X축을 몰리브덴의 함량으로 구성하였으며, 이때 용손값은 몰리브덴의 함량이 적은 것부터 큰 것 순으로 각각 비교예 5, 7, 1 및 실시예 2, 3의 값을 나타내고, 각 데이터의 사각 도트는 용손 깊이를, 원형 도트는 단위 시험편 길이당 히트크랙의 길이를 나타낸다.Thereafter, the average value of the depth of the molten iron was measured 10 times from the point where the molten iron was not formed because the refractory material was not applied. The heat crack per unit specimen length obtained in Experimental Example 8 was shown in FIG. 13. The X-axis of the graph was composed of molybdenum content, and the melt loss values of Comparative Examples 5, 7, 1, and Examples 2 and 3 were in the order of low to high molybdenum content, and square dots of each data For the melting depth, the circular dot represents the length of the heat crack per unit specimen length.

도 12를 살펴보면, 용손 평가 결과 비교예의 용손 깊이가 270㎛ 이상으로 나타나는 반면 실시예의 용손 깊이는 약 230㎛ 미만으로 나타나 실시예의 용손 특성이 비교예에 비해 우수한 것을 알 수 있으며, 도 13을 살펴보면 이러한 용손 특성이 몰리브덴의 함량과 비례하는 것을 확인할 수 있다.Referring to Figure 12, the result of the evaluation of the melting loss of the comparative example was shown to be more than 270㎛ depth of the melting loss of the embodiment is less than about 230㎛ it can be seen that the melting property of the embodiment is superior to the comparative example, and looking at Figure 13 It can be seen that the melting property is proportional to the content of molybdenum.

상기 실험을 통해, 본 발명의 열간 금형강은 몰리브덴의 함량을 1.4 중량% 이상으로 한정함에 따라 금형강의 2차 경화시 생성된 안정한 탄화물의 양을 증가시키고 이들을 균일하게 분포시켜 용손 저항성을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.Through the above experiment, the hot mold steel of the present invention can increase the amount of stable carbide produced during the secondary hardening of the mold steel by limiting the molybdenum content to more than 1.4% by weight and can evenly distribute them to improve the melt loss resistance It was confirmed that there is.

[실험예10] Experimental Example 10

본 발명에서 한정된 합금 조성, 수식 (1) 및 수식 (2)를 모두 만족할 때 합금의 성능이 향상됨을 확인하기 위해, 상기한 세 조건을 모두 만족하는 경우부터 모두 만족하지 않는 경우에 해당하는 실시예 및 비교예 시편들에 대하여, 시편의 평균 히트크랙 길이 및 단위 길이당 히트크랙 개수를 측정한 결과를 표 5에 정리하였다. 이때 조성, 수식 (1) 및 수식 (2)를 만족하는 경우 'O', 그렇지 않은 경우 'X'로 표시하였다.In order to confirm that the performance of the alloy is improved when all of the limited alloy composition, Equation (1) and Equation (2) are satisfied in the present invention, an embodiment corresponding to the case where all three conditions are not satisfied is satisfied. And for the Comparative Example specimens, the results of measuring the average heat crack length and the number of heat cracks per unit length of the specimen are summarized in Table 5. In this case, if the composition, Equation (1) and Equation (2) are satisfied, 'O' is indicated, otherwise 'X' is indicated.

구분division 조성Furtherance 수식
(1)
Equation
(One)
수식
(2)
Equation
(2)
A : 평균 히트크랙 길이(㎛) A: average heat crack length (µm) B: 단위 시편
길이당 히트크랙 개수 (mm-1)
B: unit specimen
Number of heat cracks per length (mm -1 )
최대
히트크랙
길이(mm)
maximum
Heat Crack
Length (mm)
A x B : 단위 시편
길이당 평균
히트크랙 길이
(㎛/mm)
A x B: Unit Specimen
Average per length
Heat Crack Length
(Μm / mm)
실시예2 Example 2 OO OO OO 215215 2.372.37 1.961.96 509.55 509.55 실시예3 Example 3 OO OO OO 181181 2.252.25 1.161.16 407.25 407.25 비교예1 Comparative Example 1 XX OO XX 292292 2.392.39 2.242.24 697.88 697.88 비교예5 Comparative Example 5 XX XX XX 349349 2.242.24 2.332.33 781.76 781.76 비교예6 Comparative Example 6 XX OO XX 257257 2.352.35 2.072.07 603.95 603.95 비교예7 Comparative Example 7 XX XX XX 460460 1.991.99 3.783.78 915.40 915.40 비교예8 Comparative Example 8 OO OO XX 321321 2.122.12 2.312.31 680.52 680.52

측정 결과, 열간 금형강의 조성, 수식 (1) 및 수식 (2) 중 하나 이상의 조건을 만족하지 않는 열간 금형강은 히트크랙 저항성이 현저히 저하되는 것을 확인할 수 있었다.As a result of the measurement, it was confirmed that the heat crack resistance of the hot die steel that does not satisfy at least one of the composition of the hot die steel, the formula (1) and the formula (2) is significantly lowered.

특히, 모든 조건을 만족하는 실시예들과 하나 이상의 조건을 만족하지 않는 비교예들을 비교해보면, 실시예가 비교예보다 히트크랙 저항성이 최소 20% 이상, 최대 120%까지 향상된 것을 알 수 있다.In particular, when comparing the embodiments that satisfy all the conditions and the comparative examples that do not satisfy the one or more conditions, it can be seen that the embodiment is improved heat crack resistance by at least 20%, up to 120% than the comparative example.

즉, 탄소, 규소, 망간, 크롬, 몰리브덴, 티타늄, 바나듐, 붕소 및 알루미늄을 합금 원소로 포함하는 열간 금형강의 경우, 본 발명에서 한정한 조성, 열전도도에 관계된 수식 (1) 및 경화능에 관계된 수식 (2)의 조건을 모두 만족할 때 히트크랙 저항성이 월등히 향상됨을 알 수 있다. That is, in the case of hot die steel containing carbon, silicon, manganese, chromium, molybdenum, titanium, vanadium, boron and aluminum as alloying elements, the formula (1) related to the composition, thermal conductivity defined in the present invention, and the formula related to hardenability It can be seen that the heat crack resistance is greatly improved when all of the conditions (2) are satisfied.

따라서, 본 발명에서 한정한 조성, 수식 (1) 및 수식 (2)의 조건을 모두 만족하는 경우 열간 금형강이 향상된 히트크랙 저항성과 기계적 물성을 가질 수 있고, 이러한 열간 금형강을 이용하여 제조된 금형은 장수명의 특성을 가지면서 동시에 금형으로서 향상된 성능을 나타낼 수 있다.Therefore, when all of the conditions of the composition, formula (1) and formula (2) defined in the present invention are satisfied, the hot die steel may have improved heat crack resistance and mechanical properties, and is manufactured using such hot die steel. The mold can have a long life and at the same time exhibit improved performance as a mold.

또한, 이와 같은 열간 금형강은 우수한 질화 특성을 나타내므로, 추가적인 질화 열처리를 수행한다면 더욱 향상된 히트크랙 저항성과 기계적 물성을 가질 것으로 예측된다. In addition, since such hot die steel exhibits excellent nitriding properties, it is expected that the additional nitriding heat treatment will have further improved heat crack resistance and mechanical properties.

본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.The present invention is not limited to the above specific embodiments and descriptions, and various modifications can be made by those skilled in the art without departing from the gist of the invention as claimed in the claims. Such variations are within the protection scope of the present invention.

Claims (21)

전체 중량에 대하여, 탄소(C) 0.37 ~ 0.46 중량%, 규소(Si) 0.25 ~ 0.5 중량%, 망간(Mn) 0.36 ~ 0.56 중량%, 크롬(Cr) 2.0 ~ 5.0 중량%, 몰리브덴(Mo) 1.4 ~ 2.6 중량%, 바나듐(V) 0.4 ~ 0.8 중량%, 붕소(B) 0.0007 ~ 0.004 중량%, 알루미늄(Al) 0.002 ~ 0.022 중량%, 티타늄(Ti) 0.001 ~ 0.09 중량%, 텅스텐(W) 0.001 ~ 0.007 중량%, 니오븀(Nb) 0.001 ~ 0.025 중량%, 코발트(Co) 0.005 ~ 0.022 중량% 및 철(Fe)과 불가피한 불순물을 포함하고,
포함된 각 원소의 중량%값이 하기 수식 (1)과 (2)를 모두 만족하며,
단조 단계, 담금질 단계, 구상화 열처리 단계, 뜨임 단계 및 질화 열처리 단계를 거쳐 얻어지되,
상기 단조 단계는 850 ~ 1300℃의 온도 범위에서, 상기 담금질 단계는 1000 ~ 1040℃의 온도 범위에서, 상기 구상화 열처리 단계는 840 ~ 900℃의 온도 범위에서, 상기 뜨임 단계는 520 ~ 640℃의 온도 범위에서 수행되고,
상기 뜨임 단계는 적어도 2회 이상 수행되는 다단 뜨임 방식으로 수행되며,
다이캐스팅(die-casting)용 금형강인 것을 특징으로 하는 열간 금형강.
Figure 112019080116077-pat00011

Figure 112019080116077-pat00012

0.37 to 0.46% by weight of carbon (C), 0.25 to 0.5% by weight of silicon (Si), 0.36 to 0.56% by weight of manganese (Mn), 2.0 to 5.0% by weight of chromium (Cr), molybdenum (Mo) 1.4 ~ 2.6 wt%, Vanadium (V) 0.4 ~ 0.8 wt%, Boron (B) 0.0007 ~ 0.004 wt%, Aluminum (Al) 0.002 ~ 0.022 wt%, Titanium (Ti) 0.001 ~ 0.09 wt%, Tungsten (W) 0.001 To 0.007% by weight, niobium (Nb) 0.001 to 0.025% by weight, cobalt (Co) 0.005 to 0.022% by weight and iron (Fe) and unavoidable impurities,
The weight% value of each element included satisfies the following formulas (1) and (2),
Obtained through forging step, quenching step, spheroidizing heat treatment step, tempering step and nitriding heat treatment step,
The forging step is in the temperature range of 850 ~ 1300 ℃, the quenching step in the temperature range of 1000 ~ 1040 ℃, the spheroidizing heat treatment step in the temperature range of 840 ~ 900 ℃, the tempering step is the temperature of 520 ~ 640 ℃ Performed in a range,
The tempering step is carried out in a multi-stage tempering method performed at least two times,
Hot die steel, characterized in that the die-casting die steel.
Figure 112019080116077-pat00011

Figure 112019080116077-pat00012

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 전체 중량에 대하여, 탄소(C) 0.37 ~ 0.46 중량%, 규소(Si) 0.25 ~ 0.5 중량%, 망간(Mn) 0.36 ~ 0.56 중량%, 크롬(Cr) 2.0 ~ 5.0 중량%, 몰리브덴(Mo) 1.4 ~ 2.6 중량%, 바나듐(V) 0.4 ~ 0.8 중량%, 붕소(B) 0.0007 ~ 0.004 중량%, 알루미늄(Al) 0.002 ~ 0.022 중량%, 티타늄(Ti) 0.001 ~ 0.09 중량%, 텅스텐(W) 0.001 ~ 0.007 중량%, 니오븀(Nb) 0.001 ~ 0.025 중량%, 코발트(Co) 0.005 ~ 0.022 중량%, 나머지는 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는, 열간 금형강괴를 850 ~ 1300℃의 온도 범위에서 열처리하는 단조 단계;
상기 단조 단계에서 제조된 금형 소재를 1000 ~ 1040℃의 온도 범위에서 가열한 뒤 냉각하는 담금질(quenching) 단계;
상기 담금질 단계를 통해 얻어진 금형 소재를 840 ~ 900℃의 온도 범위에서 열처리하는 구상화 열처리 단계;
상기 구상화 열처리 단계를 통해 얻어진 금형 소재를 520 ~ 640℃의 온도 범위에서 열처리하는 뜨임(tempering)단계; 및
상기 뜨임 단계를 통해 얻어진 금형 소재를 질소 혹은 질소 화합물 존재 하에 열처리하는 질화 열처리 단계;를 포함하고,
상기 뜨임 단계는, 적어도 2회 이상 수행되는 다단 뜨임 방식으로 수행되며,
포함된 각 원소의 중량%값이 하기 수식 (1)과 (2)를 모두 만족하는 것을 특징으로 하는 열간 금형강의 제조방법.
Figure 112019080116077-pat00013

Figure 112019080116077-pat00014

0.37 to 0.46% by weight of carbon (C), 0.25 to 0.5% by weight of silicon (Si), 0.36 to 0.56% by weight of manganese (Mn), 2.0 to 5.0% by weight of chromium (Cr), molybdenum (Mo) 1.4 ~ 2.6 wt%, Vanadium (V) 0.4 ~ 0.8 wt%, Boron (B) 0.0007 ~ 0.004 wt%, Aluminum (Al) 0.002 ~ 0.022 wt%, Titanium (Ti) 0.001 ~ 0.09 wt%, Tungsten (W) 0.001 ~ 0.007 wt%, niobium (Nb) 0.001 to 0.025 wt%, cobalt (Co) 0.005 to 0.022 wt%, the remainder of the hot mold ingots in the temperature range of 850 ~ 1300 ℃, containing iron (Fe) and unavoidable impurities Forging step of heat treatment;
Quenching step of heating the mold material produced in the forging step in the temperature range of 1000 ~ 1040 ℃ and then cooling;
Spheroidizing heat treatment step of heat-treating the mold material obtained through the quenching step in a temperature range of 840 ~ 900 ℃;
Tempering step of heat-treating the mold material obtained through the spheroidizing heat treatment step at a temperature range of 520 ~ 640 ℃; And
Nitride heat treatment step of heat-treating the mold material obtained through the tempering step in the presence of nitrogen or nitrogen compounds;
The tempering step is carried out in a multi-stage tempering method performed at least two times,
A method for producing hot die steel, wherein the weight% value of each element included satisfies the following formulas (1) and (2).
Figure 112019080116077-pat00013

Figure 112019080116077-pat00014

삭제delete 제7항에 있어서,
상기 단조 단계는 4.5S 이상의 단조비로 수행되는 것을 특징으로 하는 열간 금형강의 제조방법.
The method of claim 7, wherein
The forging step is a manufacturing method of hot die steel, characterized in that performed at a forging ratio of 4.5S or more.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제7항에 있어서,
상기 담금질 단계의 냉각 공정은 0.35℃/s 이상의 냉각 속도로 수행되는 것을 특징으로 하는 열간 금형강의 제조방법.
The method of claim 7, wherein
The cooling process of the quenching step is a method of manufacturing hot die steel, characterized in that carried out at a cooling rate of 0.35 ℃ / s or more.
제7항에 있어서,
상기 담금질 단계의 냉각 공정은 80 ~ 100℃의 온도 범위까지 냉각시키는 것을 특징으로 하는 열간 금형강의 제조방법.
The method of claim 7, wherein
The cooling process of the quenching step is a method of manufacturing hot die steel, characterized in that cooling to a temperature range of 80 ~ 100 ℃.
제7항에 있어서,
상기 뜨임 단계는, 담금질 된 금형 소재를 540 ~ 630℃의 온도 범위에서 2시간 ~ 6시간 동안 열처리하는 1차 뜨임 단계; 및
상기 금형 소재를 540 ~ 620℃의 온도 범위에서 2시간 ~ 6시간 동안 열처리하는 2차 뜨임 단계; 를 포함하는 열간 금형강의 제조방법.
The method of claim 7, wherein
The tempering step, the first tempering step of heat-treating the quenched mold material for 2 hours to 6 hours at a temperature range of 540 ~ 630 ℃; And
A secondary tempering step of heat-treating the mold material for 2 hours to 6 hours in a temperature range of 540 to 620 ° C; Method of manufacturing hot mold steel comprising a.
제15항에 있어서,
상기 2차 뜨임 단계를 통해 얻어진 열간 금형강을 540 내지 610℃의 온도 범위에서 2시간 내지 6시간 동안 열처리하는 3차 뜨임 단계;를 추가로 더 포함하는 열간 금형강의 제조방법.
The method of claim 15,
And a third tempering step of heat-treating the hot mold steel obtained through the second tempering step for 2 hours to 6 hours at a temperature range of 540 to 610 ° C .;
삭제delete 제7항에 있어서,
상기 질화 열처리 단계는 순질화법, 가스질화법, 연질화법, 이온질화법 및 침류질화법 중 어느 하나의 방법으로 수행되는 열간 금형강의 제조방법.
The method of claim 7, wherein
The nitriding heat treatment step is a method of manufacturing a hot die steel, which is carried out by any one of the method of pure nitriding, gas nitriding, soft nitriding, ion nitriding and distillation nitriding.
삭제delete 삭제delete 삭제delete
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